Способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний

1 1 125735Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано присоздании источников шума для измерений в любом участке диапазона длинволн, включая световой. 5Известен способ генерированияэлектромагнитных шумовых колебаний,основанный на многократном усилениичасти сигнала, ответвляемого с выхода нелинейного усилителя через цепь 10обратной связи на вход нелинейногоусилителя 13.Однако в известном способе генерирования электромагнитных шумовыхколебаний увеличение полосы частотшумового сигнала имеет принципиальныеограничения и, кроме того, параметрышумового сигнала при увеличении поло"сы частот становятся отличными от параметров гауссового шума, т.е. ухудшается его качество,Цель изобретения - увеличение ширины спектра и улучшение качествашумовых колебаний.Поставленная цель достигается тем,25что при способе генерирования электромагнитных шумовых колебаний, основанном на многократном усилении части сигнала, ответвляемого с выходанелинейного усилителя через цепь обратной связи на вход нелинейногоусилителя, часть сигнала многократноусиливают в режиме непрерывного на"растания изменения амплитуды сигнала с инкрементом за время одного об- р 5хода сигналом цепи обратной связи,определяемым условием 2 А и задерживают его при каждом обходе цепи обратной связи на время Т) /дЕгде 1 - крутизна амплитудной характеристики нелинейногоусилителя в рабочей точке( Х - амплитуда сигнала навходе нелинейного усилителя, ч - амплитуда сигнала 50на выходе нелинейного усилителя);ф - крутизна зависимости ампХлитудно зависимого набефазы сигнала на выходелинейного усилителя отамплитуды входного сигналав рабочей точке; М - коэффициент преобра зов анияфазовой модуляции в амплитудную;Й - модуль коэффициента передачи цепи обратной связи;Т - время задержки цепи обратной связи;Л - полоса пропускания цепиобратной связи.На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема генератора, реализующего предлагаемый. способ; на фиг. 2 - эквивалентная схема операций (преобразований), совершаемыхнад сигналом в процессе одного обхода кольца цепи обратной связи (ОС)генератора; на фиг, 3 - нелинейная амплитудная характернстикл нелинейного усилителя, пересекаемая линиейобратной связи, на примере которойиллюстрируется возникновение амплитудной стохастической неустойчивости в результате нелинейного растягивающего преобразования малых изменений амплитуды в процессе многократного усиления сигнала,Генератор, реализующий предлагаемый способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний, содержитлинейный 1 и нелинейный 2 усилители,которые представляют собой лампыбегущей волны (ЛБВ) и названы такусловно в соответствии с тем режимом, в котором они работали. линейный усилитель 1 - в режиме почтилинейного усиления, нелинейный усилитель 2 - в существенно нелинейномрежиме за насыщением на падающемучастке амплитудной характеристики,т.е. на участке характеристики с отрицательной крутизной. Именно вэтом случае генератор превращаетсяв генератор шума, в котором отсутствуют какие-либо дополнительные внешние источники шумового сигнала, необходимые в известном устройстве, арежим генерации электромагнитныхшумовых колебаний осуществляетсяэа счет собственной динамики автоколебательной системы.Способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний заключается в следующем.Проследим сначала за преобразованием сигнала в процессе его однократного прохождения от входа нелинейного усилителя 2 до его выхода,затем через цепь ОС, включающую в1125 зсебя линейный усилитель 1, вновь на вход нелинейного усилителя 2. Для лучшего понимания картины происходящих при этом явлений структурную электрическую схему реального генератора (фиг. 1) преобразуем в эквивалентную схему (фиг. 2), в которой выделим отдельно все линейные и нелинейные преобразования сигнала, исходя из свойств ЛБВ, 10ЛБВ в нелинейном режиме работы имеет как нелинейную амплитудную характеристику (АХ), т.е. выходной сигнал амплитудыесть нелинейная функция от амплитуды х входного сигнала, так и нелинейную характеристику амплитудно зависимого набега фазы ф(х 1, который практически равен нулю (или постоянен) на линейном участке АХ и имеет существенную 20 зависимость от амплитуды входно.го сигнала в области нелинейного ,участка АХ. Эти свойства ЛБВ, как .впрочем и любого нелинейного усилителя, могут быть выделены в виде 25 отдельного блока нелинейного преобразования сигнала (х 1 е( 1 на эк 1 Ч(х) вивалентной схеме генератора (фиг. 2), Кроме этих нелинейных свойств в эквивалентной схеме должны быть учтены З 0 линейные свойства ЛБВ: коэффициент линейного усиления Ч .линейного усилителя 1, задержка сигнала в результате длительного взаимодействия бегущей электромагнитной волны с элект-З 5 ронным потоком, не зависящая в линейном режиме от амплитуды входного сигнала М , и неравномерность частотной характеристики в,диапазоне частот, занимаемом спектром шума и однознач но определяемом полосой пропускания цепи обратной связи дР, Поскольку уже выделена нелинейная задержка в виде нелинейного преобразования его фазы, как ф(х) , то можно объединить 45 задержку сигнала в нелинейном усилителе 2 и ее линейную часть, не зависящую от амплитуды входного сигнала в нелинейном усилителе 2, а также задержку сигнала в элементах тракта 50 генератора в виде одного общего линейного преобразования над сигналом - задержку его на время Т .Можно также объединить коэффициент линейного усиленияи коэффи циент передачи пассивного соединитель. ного тракта цепи ОС у в общее ,линейное преобразование с коэффици 735 4ентом передачи цепи ОС 8 . И, наконец, неравномерность частотной характеристики ЛБВ, т.е. зависимость коэффициента передачи от частоты Ч =(о), а также Э =Э(ы) приводит к необходимости введения еще одной характеристики - линейного преобразования фазовой модуляции, которая определяет изменение частоты генерации в ампли-; тудную, учитываемого некоторым коэффициентом Кф ,а зависимости Ч= - 9(щ) и= у(м) можно не рассматривать. Поэтому преобразование есть просто модуль коэффициента передачи цепи ОС и учитывает только преобразование амплитуды. Таким образом, эквивалентная схема генератора, т.е, тех преобразований, которые необходимо произвести над сигналом (фиг. 2), состоит из нелинейного блока преобразования амплитуды (х 1 и фазы Ф(х) сигнала и включенных последовательно с ним блока линейного преобразования амплитуды сигнала р, преобразования его фазовой модуляции в амплитудную Кф и блока задержки сигнала на время Т .Очевидно, что замкнутая цепь, состоящая из замедляющей структуры, пронизываемой электронным потоком, и отрезка внешней цепи ОС, обладает при соответствующей полосе пропускания рядом выделенных собственных частот, для которых выполняется условие положительной обратной связи и укладывается целое число длин волнвдоль цепи. Это обычно приводит к воз буждению системы таким образом, что в установившемся режиме получается дискретный спектр с линиями, соответствукнцими этим собственным частотам. Однако, как оказалось, тот или иной спектр получается в процессе установления колебаний, и в зависимости от того, при каких условиях этот процесс протекает, можно получать на выходе системы либо дискретный, либо сплошной (непрерывный) энергетический спектр с полосой, равной полосе пропускания системы й Р . Согласно предлагаемому способу генерирования электромагнитных шумовых колебаний за счет собственной динамики колебательной системы (фиг. 2) получения сплошного энергетического спектра можно достичь с помощью особого нелинейного режима, суть которого состоит в том, что при достижении насыщенияЭ 11 нелинейный усилитель 2 работает в режиме сильной зависимости фазы электромагнитной волны от уровня входной мощности, что в генераторе, представленном на фиг. 1, соответствует расположению рабочей точки на падающем участке амплитудной характеристики, В реальном генераторе Фот или иной режим генерации достигается в результате изменения напряжения электропитания электродов ламп (источники на Фиг. 1 не показаны), Для лучшего объяснения возникновения того или иного режима генерации удобнее воспользоваться эквивалентной схемой генератора (фиг. 2) и проследить за изменением его состояний в результате изменения единственНого параметра, а именно линейного параметра р.При этом есть два эквивалентных пути рассмотрения. Первый из них предполагает, что при заданном значении Р( Р Р/3 и т.д,) мгновенно (импульсно) включаются активные элементы генератора и рассматривается установление его стационарного состояния, начиная с нарастания флюктуаций системы от уровня начальных шумов, в процессе многократных циркуляций сигнала по цепи ОС.Второй путь предполагает, что рассматривается переход от одного состояния непрерывно работающей системы в другое состояние в результате плавного изменения коэффициента передачи цели ОС )5 , т.е. изменение его значениядо значения р и тфдфДля лучшего изложения сути предлагаемого способа удобнее использовать второй пыть.Пусть рабочая точка генератора лежит иа падающем участке амплитудной характеристики нелинейного усилителя 2 (Фиг. Э).,Чадим бесконечно малое приращение Лх амплитуде х на входе нелинейного усилителя 2, Для простоты ие будем рассматривать воз. действие амплитудно зависимого сдвига фазь. на амплигуду сигнала, что соответствует отсутствию зависимости ф = ф(х) и вычеркиванию из эквивалентной схемы (фиг. 2) блока Кф . Тогда на выходе нелинейного усилителя 2 получаем сигнал с амплитудой .У + й 3, который можно записать вовиде ур + у ах . После преобразо вания в элементеамплитуда наФ 25735его выходе р Ур + ух дх ). Поскольку задержка сигнала на амплитудуне действует,ее передаточная функция имеет вид е" , то на вход 5 нелинейного усилителя 2 прикодитсигнал у а + Р У а х . Следователькно, на вход нелинейного усилителя 2приходит сигнал с амплит удой хр ++ руьл10 Если новое приращение амплитуды / /Ух )х /ЬР /, то в процессемногократных обходов замкнутого контура генератора оно нарастает во времени, т.е. растягивается с инкремен том /рч 1 х 1/. Это условие имеет вид1 Р "х) (1)Если руд ( 1, то положение рабочей точки является устойчивым, авозникшее случайное изменение амплитуды йх уменьшается в процессемногократных обходов замкнутой цепи ОС. Такое преобразование сигналаявляется сжимающим, Выполнение условия (1) означает, что в системенарушается условие устойчивого существования сигнала с постояннойамплитудой. При малой степени нелинейности, т. е, когдаР ъ х) 1, 30в автогенераторе может возникнутьрежим гармонической автомодуляцииамплитуды с простым двухтактным циклом. Последнее означает, что в системе возникла новая неустойчивость,и, как ее следствие, новая частота Й , связанная с периодическим характером изменения амплитуды сигнала при многократных обходах им цепи ОС. Период этого нового колебания связан с длительностью Т обхо О да сигналом кольца ОС простым соотношениемт.е. равен двойному времени обхода кольца ОС.Таким образом, спектр сигналасостоит из трех спектральных линий и занимает полосу частот2 Я. Отсюда видно, что "раскачка" неустойчивости возможна только в том случае, если полоса пропускания системы удовлетворяет условиюйГ-. 1ТТаким образом, для возникновениявторой частоты в системе, т.е. развития автомодуляционной неустойчивости1125735 амплитуды, с двухтактным циклом ее изменения, необходимо одновременное выполнение условийи (3), Можно показать, что при дальнейшем увеличении р и соответственно произведе1ния / б1 х 1 /. спектр сигнала непрерывно усложняется и стаНовится непрерывным, а сигнал, генерируемый системой, стохастическим (шумовым). Для достижения этого режима необходи О мо, чтобы произведениерч, было больше 2-3., Для конкретных систем значение этой величины определяется значением произведения й ГТ . Итак, необходимо, 15 чтобы выполнялось условие/Ъ х2-3 (4) ия (5) и (3)аточные услоа стохастичеснеустойчивос. кои плитудно- азово 20Наличие фазовой нелинейности Ф(х)существенно облегчает образованиестохастического:режима генерациии улучшает качество генерируемогошумового сигнала. Это происходит благдаря тому, что в результате фаэовоймодуляции спектр сигнала существенно расширяется и энергия более равномерно распределяется по спектру. Еаким образом, в режиме генерации шумовых колебаний над сигналом осуЗО ществляют многократное нелинейное растягивающее преобразование, при котором величина изменения сигнала дх на малом интервале времениувеличивается (растягивается) в среднем с течением времени в процессе многократных циркуляций сигнала по кольцу цепи ОС, и, следовательно, обеспечивают преимущественное усиление спектральных составляющих малой амплитуды по сравнению со спектральными составляющими с большой амплитудой. В рассмотренном случае обеспечивается преимущественное усиление составляющих спектра автомодуляции по отношению к частоте сигнала.Поскольку реально в любом нели- . нейном усилителе, в трм числе и ЛБВ, амплитудные преобразования одновременно сопровождаются и фазовыми, то нелинейное преобразование сигнала, ХЕ" ,в общем случае имеет вид хЕ -ЧЯВ , вместо инкремента (5 ч малые изменения амплитуды х нарастают с инкрементом При наличии фазовой нелинейности,даже в случае отсутствия амплитудного инкремента ( З = 0), возможнообразование в системе автогенераторастохастического режима (режима нелинейной флюктуирующей задержки) засчет нелинейного изменения фазы сигнала на выходе блока нелинейногопреобразования сигнала. При этом 40амплитудная модуляция на входе этого блока (фиг. 2), необходимая дляобеспечения нелинейного растягивающего преобразования изменений амплитуды, осуществляется в линейном элементе К за счет обратного (по отфяношению к нелинейному) преобразования фазовой модуляции сигнала в амплитудную. В этом случае величинаинкремента нарастания мальм изменений амплитуды должна удовлетворятьусловиюКФл ф ь2-3 (6)Для реализации преимуществ, обусловленных фазовой модуляцией (облегчение возникновения стохастическогорежима генерации, увеличение широкополосиости и качества шумового сигнала), необходимо увеличивать полосупропускания системы Д Рпо отношеНа фиг. 3 представлен пример такого преобразования амплитуды сигнала где видно, что малое начальное возмущение амплитуды в рабочей точке соответствующей выполнению укаэанного условия, непрерывно увеличивается (растягивается) на всю область возможных значений входных и выходных амплитуд сигнала,для которого обеспечние условиянепрерывного нарастания (растягивания) их записывается в виде Таким образом, услоесть необходимые и досвия возникновения режим Этот режим ввиду того, что нерегулярные изменения фазы сигнала эквивалентны нерегулярным изменениям задержки цепи ОС, получил название режима нелинейной флюктуирующей задержки.9 1125735 1 О нию к условияю (3), т.е. необходимо ме многих соьственных частот, нх обеспечить селективного выделения не происходит.- (7) аким образом, иэ-эа того,что в неТПри этом время корреляции генерщуе- линейной системе выполняются одно 1 5 временно условия (5) и (7), в резульЭум котате растягивающего нелинейного пре.определяющее время перекачки энергии образования реализуется режим нели- между его составляющими, оказывается нейной флюктуирующей задержки, обесмного меньше времени Т задержки печивающий генерацию электромагнит- сигнала в кольце ОС. Поэтому, несмот ных шумовых колебаний с широким ря на наличие в этом случае в систе- спектром и высоким качеством,1125735 56/43 ТИраж 861ВНИИПИ Государственного комитетапо делам изобретений и открытии113035, Москва, Ж, Раушская на ПодписноеСР аказ д. 4/5 Патент", г.Ужгород, ул.Проектная,лиал Составитель Н.МатвиенкоРедактор И.Николайчук Техред М,Кузьма Корректор Н.Король