ЦИФРОВОЙ ГЕНЕРАТОР ХАОТИЧЕСКОГО СИГНАЛА
DIGITAL GENERATOR OF CHAOTIC SIGNAL

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в современных, помехозащищенных и конфиденциальных системах связи, в системах защиты информации для создания шумового сигнала, в контрольно-измерительных системах для измерения частотных характеристик, а также в системах кодирования для генерации случайных чисел и последовательностей.
Известен широкополосный цифровой генератор шума, состоящий из тактового генератора, регистра сдвига, сумматора по модулю два и цепи запуска. Выход тактового генератора соединен с входом "С" регистра сдвига, выход n-го разряда которого соединен с первым входом сумматора по модулю два, второй вход которого соединен с выходом цепи запуска, вход которой соединен с выходом последнего разряда регистра сдвига, вход "D" которого соединен с выходом сумматора по модулю два. В генератор дополнительно введены последовательно соединенные усилитель мощности, умножительный диод и полосковая линия, при этом выход последнего разряда регистра сдвига соединен с входом усилителя мощности, выход которого через умножительный диод соединен с полосковой линией (Патент РФ №2208289, Н03В 29/00, опубл. 10.07.2003).
Известен также цифровой генератор шума, содержащий регистр сдвига, сумматор по модулю два, тактовый генератор, цепь запуска и низкочастотные пассивные фильтры (Мардер М., Федосов В. Цифровые генераторы шума. / Радио, 1990. №8, с.68-71).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, принятым за прототип является цифровой генератор шума, который содержит восьмиразрядный (в общем случае - N-разрядный) регистр сдвига, сумматор по модулю два, тактовый генератор, цепь запуска и начальной инициализации регистра сдвига. При этом выход тактового генератора соединен с входом регистра сдвига, выход первого разряда регистра сдвига соединен с первым входом сумматора по модулю два, второй вход сумматора по модулю два соединен с выходом цепи запуска, один из входов которой соединен с выходом последнего разряда регистра сдвига, вход регистра сдвига соединен с выходом сумматора по модулю два. Существуют элементы, обеспечивающие также начальную инициализацию регистра сдвига ненулевым значением при включении питания, причем некоторые из них задают интервал времени, в течение которого происходит начальная инициализация (см. Андрианов В.И., Бородин В.А., Соколов А.В. "Шпионские штучки и устройства для защиты объектов информации». СПб.: Лань, 1996, с.146).
Недостатком прототипа, так же как и перечисленных выше аналогов, является псевдослучайный характер генерируемой хаотической последовательности цифровых импульсов, длительность которой зависит от числа разрядов регистра сдвига - N. Указанная зависимость приводит к усложнению генератора (увеличению числа разрядов регистра сдвига N) для достижения приемлемой длительности псевдослучайной последовательности.
Технической задачей заявляемого технического решения является создание цифрового генератора хаотического сигнала, имеющего в отличие от прототипа истинно случайный характер выходного сигнала, при соблюдении схемотехнической простоты и сравнительно небольших конструктивных размеров.
Требуемый технический результат достигается тем, что в цифровой генератор хаотического сигнала, содержащий тактовый генератор, N-разрядный регистр сдвига, сумматор по модулю два, цепи запуска и инициализации регистра сдвига, причем выход тактового генератора соединен с входом "С" регистра сдвига, выход m-го разряда которого соединен с первым входом сумматора по модулю два, второй вход которого соединен с выходом цепи запуска и инициализации, вход которой соединен с выходом последнего разряда регистра сдвига, вход "D" которого соединен с выходом сумматора по модулю два, согласно техническому решению дополнительно введены аналоговый хаотический генератор, регулируемый источник опорного напряжения и аналоговый компаратор уровня сигнала хаотического генератора с уровнем опорного напряжения с выхода регулируемого источника опорного напряжения, выполненного, в частности, в виде потенциометра. Выход аналогового хаотического генератора соединен с одним из входов аналогового компаратора, ко второму входу которого подсоединен выход регулируемого источника опорного напряжения, при этом выход аналогового компаратора соединен с одним из входов цепи запуска и инициализации, источник опорного сигнала и аналоговый компаратор уровня сигнала хаотического генератора с уровнем опорного напряжения позволяют апериодически инициализировать регистр сдвига случайным ненулевым значением и получить на выходе сдвигающего регистра хаотические наборы случайных последовательностей.
Заявляемое техническое решение отличается от прототипа наличием новых блоков: аналогового хаотического генератора, аналогового компаратора, регулируемого источника опорного напряжения (выполненного, в частности, в виде потенциометра) и их связями с остальными элементами схемы. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "новизна".
Требуемый результат достигается всей вновь введенной совокупностью существенных признаков, которые в известной патентной и научной литературе не обнаружены на дату подачи заявки. Следовательно, техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Предлагаемое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства. На чертеже приняты следующие обозначения: G - тактовый генератор; DD1…DD8(N) - регистр сдвига; D2 - сумматор по модулю два; D1, D3, R, С - цепь запуска и инициализации регистра сдвига; G1 - аналоговый хаотический генератор; DA1 - аналоговый компаратор; R1 - потенциометр, представляющий собой регулируемый источник опорного напряжения.
На фиг.2 и фиг.3 представлены эпюры сигналов в характерных точках устройства. Так, эпюрой а на фиг.2 представлен выходной сигнал примененного в устройстве хаотического генератора G1. Эпюра б на фиг.2 иллюстрирует сигнал, пропущенный через схему компаратора DA1, преобразованный в последовательность логических импульсов с хаотически меняющейся длительностью.
Управляющий аналоговый хаотический сигнал, поданный на вход 1 элемента D1, представлен эпюрой а на фиг.3. А на эпюре б фиг.3 показан выходной сигнал регистра сдвига, для достижения наглядности преобразованный в аналоговый с помощью цифроаналогового преобразователя. Этот сигнал обладает апериодическим случайным характером в результате воздействия управляющего сигнала, вид которого приведен на эпюре б фиг.2.
Согласно представленной на фиг.1 схеме выход тактового генератора G соединен с входом "С" регистра сдвига DD1…DD8(N), выход m-го разряда которого соединен с первым входом сумматора по модулю два D2, второй вход которого соединен с выходом цепи запуска D3, вход элемента D3 которой соединен с выходом последнего разряда регистра сдвига DD1…DD8(N), вход "D" которого соединен с выходом сумматора по модулю два D2. Ко второму входу элемента D3 цепи запуска и инициализации регистра сдвига подсоединен выход элемента D1 цепи запуска, формирующий импульс длительности τ~RC, величину которой определяют номиналы элементов R и С, подключенные к одному из входов элемента D1. К другому входу элемента D1 подсоединен выход аналогового компаратора DA1, сравнивающего аналоговый сигнал с выхода хаотического генератора G1, соединенного с одним из входов компаратора DA1, с опорным напряжением, поступающим на другой вход аналогового компаратора DA1 с выхода регулируемого источника опорного напряжения, выполненного на потенциометре R1.
Цифровой генератор хаотического сигнала работает следующим образом.
Регистр сдвига DD1…DD8(N), имеющий длину N бит, тактируется прямоугольными импульсами заданной частоты, подаваемыми с выхода тактового генератора G. С помощью сумматора по модулю два D2 на вход регистра подается последовательный сигнал, представляющий собой сумму по модулю два m-го и последнего разряда регистра DD1…DD8(N). Для вывода регистра сдвига DD1…DD8(N) из нулевого состояния при включении питания в схему введена цепь запуска и инициализации регистра сдвига (D1, D3, R, С) ненулевым значением, формирующая на своем выходе в момент включения питания сигнал логической единицы длительностью τ~RC, который подается на вход сумматора по модулю два D2. На выходе регистра сдвига DD1…DD8(N) формируются псевдослучайные последовательности импульсов, длительность и характер которых определяются выходным сигналом хаотического генератора G1, через компаратор DA1 и цепь запуска и инициализации, апериодически инициализирующим регистр сдвига DD1…DD8(N) случайным значением, отличным от нулевого.
N
0
Для достижения корректной работы цифрового генератора хаотического сигнала период повторяемости псевдослучайной последовательности T должен быть меньше или равен максимальной длительности инициализирующего импульса, формируемого компаратором DA1 из аналогового хаотического сигнала генератора G1 сравнением с уровнем опорного сигнала U, формируемого потенциометром R1.
N
Элемент D1 цепи запуска и инициализации регистра сдвига представляет собой логический вентиль "И", прозрачный по сигналу логической единицы на одном из его входов. При включении устройства конденсатор С не заряжен и удерживает на одном из входов вентиля D1 логический ноль на время зарядки собственной емкости через резистор R до значения логической единицы. За этот интервал времени τ~RC регистр сдвига DD1…DD8(N) инициализируется начальным ненулевым значением, а сигнал с выхода компаратора DA1 никак не влияет на работу устройства в целом. После того как напряжение на конденсаторе С достигает уровня логической единицы, вентиль D1 становится прозрачным для хаотического сигнала с выхода компаратора DA1, который апериодически прерывает работу регистра сдвига и инициализирует его новым случайным числом до достижения периода повторяемости псевдослучайной последовательности T.
Таким образом, на выходе регистра сдвига DD1…DD8(N) формируются неповторяющиеся псевдослучайные последовательности импульсов, длительность и характер которых случайным образом определяются выходным сигналом хаотического генератора G1. В качестве генератора G1 следует использовать, например, одну из схем генераторов динамического хаоса, хаотичность выходного сигнала которых строго доказана современными методами нелинейной динамики.
Для экспериментальной проверки заявляемого технического решения был разработан конкретный вариант цифрового генератора хаотического сигнала, аналогичный схеме фиг.1. В качестве хаотического генератора G1 был использован генератор на магнитоуправляемом двухполюснике с отрицательным дифференциальным сопротивлением, хаотичный характер выходного сигнала которого строго доказан.
0
Выходной сигнал примененного в устройстве хаотического генератора G1 приведен на эпюре а фиг.2. Поскольку этот сигнал аналоговый и не содержит постоянной составляющей, то, будучи пропущенным через схему компаратора DA1, в сравнении с уровнем опорного напряжения U нулевой величины, он будет преобразован в последовательность логических импульсов с хаотически меняющейся длительностью, вид которых представлен на эпюре б фиг.2.
После заряда конденсатора С через резистор R на входе 2 элемента D1 устанавливается потенциал логической единицы, элемент D3 станет повторителем логического состояния выхода регистра и влиять на работу формирователя не будет. При поступлении на один из входов логического вентиля D3 типа «исключающее ИЛИ» или «сумматора по модулю два» логической единицы этот элемент станет инвертором логического состояния второго входа.
Таким образом, изменяя логическое состояние на входе элемента D3, можно изменять полярность сигнала в цепи обратной связи, а следовательно, и характер выходного сигнала. Изменяя управляющий сигнал хаотичным образом, можно получить на выходе сдвигающего регистра хаотические наборы случайных последовательностей.
Если на вход 1 элемента D1 подать управляющий хаотический сигнал, сформированный на выходе компаратора DA1 (эпюра а на фиг.3), то под его воздействием выходной сигнал регистра сдвига приобретает апериодический случайный характер (эпюра б на фиг.3).
Таким образом, управление регистром сдвига ограниченной разрядности с помощью хаотического генератора позволяет при ограниченных элементных ресурсах реализовать компактный цифровой генератор случайной последовательности, представляющей собой хаотический сигнал. В качестве хаотических генераторов с целью повышения стабильности в устройстве удобно использовать их современные реализации в интегральном исполнении.