ГЕНЕРАТОР СЛОЖНЫХ И АВТОМОДУЛЯЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться для генерации сложных импульсных сигналов и угловой автоматической модуляции несущего колебания получаемым сигналом с помощью одного генератора.
Генераторы сложных и автомодуляционных колебаний, реализованные в виде аналоговых электронных устройств, представляют интерес для использования в системах связи и передачи информации, в том числе скрытой (см. статью Дмитриева А.С. и др. «Сверхширокополосные коммуникационные системы на основе динамического хаоса». - Успехи современной радиоэлектроники. 2008, №1, с. 4-5). Под сложными колебаниями понимаются колебания, в спектре которых присутствует несколько частот, например, как регулярные пачечные колебания, так и хаотические колебания. Автомодуляционными колебаниями называются колебания на выходе системы фазовой автоподстройки частоты с регулярной или хаотической угловой модуляцией, возникающей спонтанно в силу нелинейных свойств системы фазовой автоподстройки частоты, а не по причине внешнего модулирующего сигнала (смотри книгу Матросова В.В. и Шалфеева В.Д. «Динамический хаос в фазовых системах». Нижний Новгород, Издательство Нижегородского госуниверситета, 2009, с. 44).
В основе рассматриваемого генератора лежит система фазовой автоподстройки частоты с двумя делителями частоты. Схема такой системы известна для устройств синтеза частот (см. описания изобретения по патентам РФ №2212756, H03L 7/16, 2003, №2214043, H03L 7/18, H03L 7/197, №2208904, H03L 7/197, 2003, и описание полезной модели по патенту РФ №15823, Н03В 19/12). Однако в данных патентах не рассматривается динамика системы за пределами полосы синхронизации, где может наблюдаться генерация сложных и автомодуляционных колебаний.
Известно «Устройство для формирования сложного фазоманипулированного сигнала» (см. описание изобретения по патенту РФ №2265962, H04L 27/12, 2005). Изобретение может быть использовано для повышения структурной скрытности сигналов в помехозащищенных радиолиниях. Технический результат состоит в повышении скрытности и разведзащищенности формируемого сигнала. Особенностью такого устройства является необходимость использования специального блока генерации псевдослучайной последовательности, в связи с чем это устройство сужено по функциональным свойствам, т.к. не обладает возможностью генерации сложных и автомодуляционных колебаний в режиме работы предлагаемого генератора.
Известен «Электронно-аналоговый генератор хаоса» (см. описание полезной модели по патенту РФ №66638, Н03В 29/00, 2007). Полезная модель предназначена для получения управляемой степени хаотизации выходного сигнала. Предлагаемая в нем связь элементов генератора, обеспечивает аналоговое электронное моделирование математического соотношения, известного как логистическое отображение, что позволяет получать хаотические и нелинейные колебания разных типов. Недостатком описанного устройства является ограниченность набора возможных режимов, обусловленная заложенным изначально в систему математическим соотношением, известным как логистическое отображение, и невозможность непосредственного получения колебаний с хаотической угловой модуляцией, и таким образом в данном генераторе также сужены его функциональные возможности в связи с отсутствием в нем возможностью генерации сложных и автомодуляционных колебаний в режиме работы предлагаемого генератора.
В качестве аналога, ближайшего к заявляемому генератору и являющегося его прототипом, выбран известный генератор сложных и автомодуляционных колебаний на основе генератора хаотических колебаний, основанного на фазовой автоподстройке частоты с функциями генерации сложных и автомодуляционных колебаний (см. прилагаемую к настоящему описанию ксерокопию статьи Дмитриева А.С. и др. «Генерация высокочастотного хаоса в системе с фазовой автоподстройкой частоты». - Успехи современной радиоэлектроники. 2008, №1, с. 46, рис. 1).
Генератор-прототип содержит последовательно соединенные опорный генератор, первый делитель частоты, блок фазовой компарации (на одном фазовом компараторе, работающем в режиме «исключающее или» по отношению к уровню входных сигналов), импульсный усилитель и блок формирующей фильтрации (на одном RLC-фильтре), выход которого является первым выходом сложных колебаний генератора сложных и автомодуляционных колебаний, и генератор, управляемый напряжением, соединенный своими входом с выходом блока формирующей фильтрации и выходом с входом второго делителя частоты, подключенного первым выходом к блоку фазовой компарации и имеющего второй выход, являющийся вторым выходом автомодуляционных колебаний генератора сложных и автомодуляционных колебаний.
Генератор работает по принципу синтезатора частоты на основе системы фазовой автоподстройки частоты. Сигнал от опорного генератора, прошедший через первый делитель частоты, и от генератора, управляемого напряжением, прошедший через второй длитель частоты, поступают на вход блока фазовой компарации. На выходе блока фазовой компарации формируется сигнал, содержащий информацию о разности фаз опорного генератора и генератора, управляемого напряжением. Пройдя через импульсный усилитель, данный сигнал поступает на блок формирующей фильтрации, где осуществляется его преобразование. С выхода блока формирующей фильтрации сигнал поступает на вход генератора управляемого напряжением, изменяя его частоту и замыкая петлю обратной связи системы фазовой авто подстройки частоты. При правильном подборе параметров фильтра, коэффициентов деления частоты первого и второго делителей частоты, частот опорного генератора и генератора, управляемого напряжением, в генераторе возникают хаотические колебания, которые могут быть сняты с выхода блока формирующей фильтрации. На выходе второго делителя частоты при этом наблюдаются колебания с хаотической угловой модуляцией - автомодуляционные колебания.
Недостатком указанного генератора является ограниченная возможность в управлении типом и характеристиками колебаний, так как блок формирующей фильтрации реализован в виде RLC-фильтра и имеет крайне ограниченные возможности в управлении параметрами фильтра, поскольку изменение параметров требует смены номиналов элементов фильтра и таким образом, также основной недостаток рассмотренных выше аналогов - сужение функциональных возможностей из-за отсутствием в нем возможности генерации регулярных сложных и автомодуляционных колебаний с регулярной сложной угловой модуляцией в режиме работы предлагаемого генератора.
Технический результат предлагаемой полезной модели - расширение функциональных возможностей генератора сложных и автомодуляционных колебаний за счет обеспечения дополнительной возможности генерации регулярных сложных колебаний и автомодуляционных колебаний с регулярной сложной угловой модуляцией результате усовершенствования входящих в состав генератора сложных и автомодуляционных колебаний блока фазовой компарации и блока формирующей фильтрации.
Для достижения указанного технического результата в генераторе сложных и автомодуляционных колебаний, функционирующем на основе фазовой автоподстройки частоты и содержащем последовательно соединенные опорный генератор, первый делитель частоты, блок фазовой компарации, импульсный усилитель и блок формирующей фильтрации, выход которого является первым выходом сложных колебаний генератора сложных и автомодуляционных колебаний, и генератор, управляемый напряжением, соединенный своими входом с выходом блока формирующей фильтрации и выходом с входом второго делителя частоты, подключенного первым выходом к блоку фазовой компарации и имеющего второй выход, являющийся вторым выходом автомодуляционных колебаний генератора сложных и автомодуляционных колебаний, блок фазовой компарации состоит из первого фазового компаратора, работающего в режиме «исключающее или» по отношению к уровню входных сигналов, и второго фазового компаратора, работающего в режиме сравнения передних фронтов входных сигналов, соединенных каждый своим входом с соответствующим выходом первого входного коммутатора, соединенного на своем входе с выходом первого делителя частоты, и каждый своим выходом с соответствующим входом первого выходного коммутатора, соединенного своим выходом с входом импульсного усилителя, а блок формирующей фильтрации состоит из первого пропорционально-интегрирующего фильтра, второго RLC-фильтра и третьего биквадратного фильтра, соединенных каждый на своем входе с соответствующим выходом второго входного коммутатора, соединенного своим входом с выходом импульсного усилителя, и каждый своим выходом с соответствующим входом второго выходного коммутатора, имеющим выход, являющийся первым выходом генератора сложных и автомодуляционных колебаний и соединенный с входом генератора, управляемого напряжением.
Для улучшения эксплуатационных свойств предлагаемого генератора сложных и автомодуляционных колебаний в него введен блок управления, подключенный для задания коэффициента деления к первому делителю частоты, для включения первого или второго фазового компаратора к первым входному и выходному коммутаторам, для включения первого, второго или третьего фильтра ко вторым входному и выходному коммутаторам, для изменения параметров первого и третьего фильтров, выполненных с возможностью их цифрового управления, к указанным фильтрам, для задания собственной частоты к генератору, управляемому напряжением, и для задания коэффициента деления ко второму делителю частоты.
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого генератора сложных и автомодуляционных колебаний.
Предлагаемый генератор сложных и автомодуляционных колебаний содержит последовательно соединенные опорный генератор 1, первый делитель частоты 2, блок фазовой компарации 3, импульсный усилитель 4 и блок формирующей фильтрации 5, выход которого является первым выходом сложных колебаний генератора сложных и автомодуляционных колебаний, и генератор, управляемый напряжением, 6, соединенный своими входом с выходом блока формирующей фильтрации 5 и выходом с входом второго делителя частоты 7, подключенного первым выходом к блоку фазовой компарации 3 и имеющего второй выход, являющийся вторым выходом автомодуляционных колебаний генератора сложных и автомодуляционных колебаний.
При этом блок фазовой компарации 3 состоит из первого фазового компаратора 8, работающего в режиме «исключающее или» по отношению к уровню входных сигналов, и второго фазового компаратора 9, работающего в режиме сравнения передних фронтов входных сигналов, соединенных каждый своим входом с соответствующим выходом первого входного коммутатора 10, соединенного на своем входе с выходом первого делителя частоты 2, и каждый своим выходом с соответствующим входом первого выходного коммутатора 11, соединенного своим выходом с входом импульсного усилителя 4, а блок формирующей фильтрации 5 состоит из первого пропорционально-интегрирующего фильтра 12, второго RLC-фильтра 13 и третьего биквадратного фильтра 14, соединенных каждый на своем входе с соответствующим выходом второго входного коммутатора 15, соединенного своим входом с выходом импульсного усилителя 4, и каждый своим выходом с соответствующим входом второго выходного коммутатора 16, имеющим выход, являющийся первым выходом генератора сложных и автомодуляционных колебаний и соединенный с входом генератора, управляемого напряжением, 6.
Причем в предлагаемый генератор сложных и автомодуляционных колебаний введен блок управления 17, подключенный для задания коэффициента деления к первому делителю частоты 2, для включения первого фазового компаратора 8 или второго фазового компаратора 9 к первым входному коммутатору 10 и выходному коммутатору 11, для включения первого фильтра 12, второго фильтра 13 или третьего фильтра 14 ко вторым входному коммутатору 15 и выходному коммутатору 16, для изменения параметров первого фильтра 12 и третьего фильтра 14, выполненных с возможностью их цифрового управления, к указанным фильтрам, для задания собственной частоты к генератору, управляемому напряжением, 6 и для задания коэффициента деления ко второму делителю частоты 7.
Предлагаемый генератор сложных и автомодуляционных колебаний работает следующим образом.
Сигнал от опорного генератора 1 заданной частоты поступает на вход первого делителя частоты 2. Первый делитель частоты 2 с переменным коэффициентом деления в интервале 1-32000 понижает частоту следования импульсов в целое число раз и передает сигнал на первый вход блока фазовой компарации 3. Сигнал с выхода генератора, управляемого напряжением, 6 поступает на вход второго делителя частоты 7. Второй делитель частоты 7 с переменным коэффициентом деления в интервале 1-32000 понижает частоту следования импульсов в целое число раз и передает сигнал на второй вход блока фазовой компарации 3. Блок фазовой компарации 3 выполняет сравнение фаз двух сигналов, поступивших на его входы от делителей частоты 2 и 7, и вырабатывает сигнал, содержащий информацию о разности фаз сигналов на двух входах блока фазовой компарации 3. На выходе блока фазовой компарации 3 формируется последовательность прямоугольных импульсов, скважность которых зависит от соотношения фаз между сигналами от первого делителя частоты 2 и второго делителя частоты 7. Сигнал с выхода блока фазовой компарации 3 поступает на вход импульсного усилителя 4. С выхода импульсного усилителя 4 сигнал поступает на вход блока формирующей фильтрации 5. Блок формирующей фильтрации 5 преобразует поступающую на его вход последовательность прямоугольных импульсов с выхода импульсного усилителя 4. Получившийся на выходе блока формирующей фильтрации 5 сигнал поступает на управляющий вход генератора, управляемого напряжением 6. Сигнал на входе генератора, управляемого напряжением, 6 изменяет частоту следования импульсов на выходе генератора, управляемого напряжением.
В образовавшейся петле обратной связи при правильном подборе параметров возникают автоколебания, поскольку цепь управления, состоящая из блока фазовой компарации 3, импульсного усилителя 4 и блока формирующей фильтрации 5, не способна скомпенсировать возникающее рассогласование частот и фаз между двумя сигналами на входах блока фазовой компарации 3. Возникающие автоколебания снимаются с выхода блока формирующей фильтрации 5, являющегося первым выходом сложных колебаний генератора сложных и автомодуляционных колебаний. Эти же колебания поступают на генератор, управляемый напряжением, 6, и на выходе второго делителя частоты 7, являющегося вторым выходом автомодуляционных колебаний генератора сложных и автомодуляционных колебаний, наблюдаются колебания с угловой модуляцией.
Характеристиками возникающих колебаний можно управлять при помощи изменения параметров элементов устройства. Блок управления 17 позволяет изменять коэффициенты деления первого делителя частоты 2 и второго делителя частоты 7, собственную частоты генератора, управляемого напряжением, 6, осуществлять выбор первого 8 или второго 9 фазового компаратора в блоке фазовой компарации 3, осуществлять выбор первого 12, второго 13 или третьего 14 фильтра в блоке формирующей фильтрации 5 и управлять характеристиками первого 12 и третьего 14 фильтров. Все указанные управляемые параметры позволяют перестраивать характеристики и тип получаемых колебаний в широких пределах, позволяя получить регулярные квазигармонические колебания и автомодуляционные колебания с регулярной квазигармонической угловой модуляцией, регулярные сложные колебания и автомодуляционные колебания с регулярной сложной угловой модуляцией, хаотические колебания и автомодуляционные колебания с хаотической угловой модуляцией.
Таким образом предлагаемый генератор сложных и автомодуляционных колебаний в сравнении с прототипом обеспечивает расширение функциональных возможностей за счет обеспечения дополнительной возможности генерации регулярных сложных колебаний и автомодуляционных колебаний с регулярной сложной угловой модуляцией в результате усовершенствования входящих в состав генератора сложных и автомодуляционных колебаний блока фазовой компарации и блока формирующей фильтрации и улучшение эксплуатационных свойств за счет возможности задания параметров и изменения характеристик в результате введения блока управления.