ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ С НОРМИРОВАННЫМ ФАЗОВЫМ ШУМОМ Российский патент 1999 года по МПК H03K5/159 

Изобретение относится к генераторам электрических сигналов и может быть использовано в качестве опорного генератора при моделировании сигналов данных в системах передачи цифровой информации.

Уровень техники
Для моделирования фазового шума цифровых сигналов данных применяются управляемые шумовым напряжением фазовые модуляторы. В таких устройствах, состоящих из последовательно соединенных задающего генератора, фазового модулятора и генератора кодовых комбинаций [1], сложно обеспечить заданные статические свойства фазового шума. Указанный недостаток связан с аналоговым характером воздействия на фазу задающего генератора, при котором к источнику шумового напряжения и фазовому модулятору предъявляются чрезвычайно высокие требования.

Известен также генератор пульсаций с псевдошумовым значением мгновенной частоты [2] , включающий последовательно соединенные генератор псевдослучайных чисел (ГПСЧ), аналоговый сумматор и управляемый напряжением генератор. Благодаря применению ГПСЧ, у которого сумма содержимого смежных разрядов обладает почти нормальным распределением, напряжение на выходе сумматора и, следовательно, мгновенная частота управляемого генератора также подчиняются нормальному закону распределения. При этом ширина энергетического спектра может быть задана разрядностью ГПСЧ, а норма псевдослучайной частоты - коэффициентом передачи сумматора. Однако точность моделирования фазового шума в этом устройстве также невысока, что обусловлено двумя причинами. Во-первых, шумовой процесс в устройстве определяет фазу выходного импульса генератора не непосредственно, а косвенно через его частоту. Во-вторых, норма фазового шума зависит от параметров аналоговых блоков - сумматора и управляемого генератора, т.е. не обладает стабильностью. Это является недостатком аналога.

Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является генератор импульсов с фазовым дрожанием [3]. Устройство-прототип состоит из опорного генератора, выходом подключенного одновременно к входу ГПСЧ и согласованной многоотводной линии задержки. Отводы линии задержки соединены с соответствующими информационными входами мультиплексора, у которого адресные входы подключены к группе смежных выходов ГПСЧ через блок цифрового суммирования, выполненный в виде постоянного запоминающего устройства. В данном устройстве-прототипе, построенном полностью на цифровых узлах, выполняется непосредственное воздействие на фазу выходного импульса мультиплексора. Благодаря этому достигаются точность и стабильность моделирования фазового шума.

В то же время устройство-прототип отличается сложной структурой, в которой необходимы многоразрядный сумматор большого количества одноразрядных чисел и мультиплексор, выполняющий функции цифрового фазового модулятора. Другим недостатком устройства-прототипа является невозможность плавного регулирования нормы фазового шума, поскольку ее изменение требует замены линии задержки.

Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является упрощение устройства и обеспечение плавного регулирования нормы фазового шума. Указанная цель достигается путем непосредственного суммирования временных интервалов под управлением ГПСЧ.

Для этого в устройство, содержащее тактовый генератор и ГПСЧ, между выходом тактового генератора и выходным зажимом устройства включены последовательно соединенные управляемые элементы задержки. Управляющие входы, по которым либо задается, либо отменяется задержка импульса, подключены в устройстве к соответствующим выходам ГПСЧ, а вход ГПСЧ соединен с выходным зажимом устройства. Опорные входы всех управляемых элементов задержки присоединены к общему зажиму опорного напряжения, которое определяет значение времени задержки каждого управляемого элемента задержки, в том случае, когда задержка задана управляющим сигналом с соответствующего выхода ГПСЧ.

Каждый из управляемых элементов задержки, входящих в состав устройства, может быть выполнен в виде пары логических вентилей И-НЕ с парафазными выходами, например вентилей типа ЭСЛ в соглашении отрицательной логики, и параллельной RC-цепи, подключенной одновременно к инверсному выходу первого из названных вентилей И-НЕ и одному входу второго вентиля И-НЕ. При этом один вход первого вентиля И-НЕ служит управляющим входом элемента задержки, а оставшиеся входы обоих вентилей И-НЕ - парафазным входом управляемого элемента задержки. Опорным входом управляемого элемента задержки в данном его варианте является свободный вывод резистора RC-цепи, конденсатор которой соединен с общей шиной.

Импульсы тактового генератора, проходя через последовательную цепь из управляемых элементов задержки, задерживаются на интервал времени, равный суммарному времени задержки всех управляемых элементов задержки, на управляющих входах которых присутствует уровень логической единицы. Общее количество единиц на смежных выходах ГПСЧ, соединенных с управляющими входами управляемых элементов задержки, в процессе работы ГПСЧ изменяется по псевдослучайному близкому к нормальному закону. Следовательно, и время задержки тактовых импульсов также носит шумовой характер с нормальным законом распределения.

Изменяя напряжение на опорном входе, можно задавать время задержки отдельно взятого управляемого элемента задержки и задавать таким образом амплитуду фазового дрожания выходных импульсов.

В отличие от прототипа и других известных аналогов устройство согласно настоящему изобретению при высокой точности моделирования фазового шума обладает простой конструкцией и возможностью регулирования интенсивности фазового шума.

На фиг. 1 показана электрическая функциональная схема генератора импульсов с нормированным фазовым шумом в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 2 - электрическая принципиальная схема варианта управляемого элемента задержки, входящего в состав генератора импульсов с нормированным фазовым шумом;
на фиг. 3 - временные диаграммы работы управляемого элемента задержки.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Показанная на фиг. 1 функциональная схема генератора импульса с нормированным фазовым шумом состоит из входного зажима 1, который через последовательную цепь из управляемых элементов 2 ... 8 задержки соединен с выходным зажимом 9 в входном ГПСЧ 10, у которого группа выходов смежных разрядов подключена к управляющим входам соответствующих управляемых элементов 2 ... 8 задержки. Опорные входы всех управляемых элементов 2 ... 8 задержки присоединены к входному зажиму 11 опорного напряжения.

ГПСЧ 10 представляет собой регистр сдвига с обратной связью через логический вентиль ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ [4]. Длина цикла ГПСЧ составляет 2ⁿ - 1 тактов, т. е. число n его разрядов определяет нижнюю границу энергетического спектра шумового процесса. Верхняя граница спектра близка к тактовой частоте. Для управления задержкой импульсов в данном конкретном варианте осуществления устройства используются семь смежных выходов ГПСЧ, их количество определяет шаг квантования фазы импульсов.

На фиг. 2 представлена схема возможного варианта конкретного исполнения управляемого элемента задержки 2 ... 8, входящего в состав устройства фиг. 1. Схема выполнена на вентилях эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) с парафазной передачей сигналов. Указанные вентили выполняют логическую функцию И-НЕ в соглашении отрицательной логики. Схема снабжена сигнальными входами 12, 13, подключенными к первым входам вентилей 14 и 15 типа И-НЕ. Выходы вентиля 14 являются выходами 16 и 17 и управляемого элемента задержки. Времязадающими элементами схемы служат резистор 18 и конденсатор 19, подключенный одной обкладкой к общей шине, а второй совместно с одним выводом резистора 18 - к инверсному выходу вентиля 15 и второму входу вентиля 14. Второй вход вентиля 15 И-НЕ служит управляющим входом, а оставшийся вывод резистора 18 - опорным входом управляемого элемента задержки
Временные диаграммы фиг. 3 поясняют работу управляемого элемента задержки, изображенного на фиг. 2. Временные диаграммы имеют обозначения, совпадающие с обозначениями элементов схемы фиг. 2, на которых образуются соответствующие сигналы. Поскольку при формировании фазового шума имеет значение лишь изменение времени задержки, то на временных диаграммах не отражены постоянные времена задержки переключения логических вентилей.

При высоком уровне напряжения логического "0" на управляющем входе 20 задержка выходного импульса 16 относительно входного импульса 12 не возникает. На инверсном выходе вентиля 15 удерживается уровень логической "1", поэтому входной импульс 12 без задержки проходит на выход 16. При низком уровне логической "1" на управляющем входе 20 отрицательный фронт выходного импульса 16 задерживается относительно отрицательного фронта входного импульса 12 на время Δt. В соответствии с диаграммой 19 напряжения на времязадающем конденсаторе 19 время задержки определяется длительностью почти линейного разряда конденсатора 19 от высокого уровня напряжения логического "0" до порога переключения U_п логического вентиля 14. В момент достижения порога переключения вентиль 14 фиксирует совпадение низких уровней логической "1" на своих входах и происходит его переключение. Положительный фронт входного импульса 12 передается на выход 16 без задержки.

Время задержки Δt зависит от параметров времязадающего резистора 18 и конденсатора 19, а также от опорного напряжения на опорном входе 21. С повышением опорного напряжения ввиду уменьшения тока разряда конденсатора время задержки Δt увеличивается. Таким образом, время задержки управляемого элемента задержки можно плавно регулировать внешним опорным напряжением.

Работает генератор импульсов с нормированным фазовым шумом в следующем порядке. Тактовый генератор 1 вырабатывает периодические импульсы напряжения, которые проходят через последовательную цепь управляемых элементов 2 .. . 8 задержки на выходной зажим 9. Очередной импульс, достигая выходного зажима 9, поступает на вход ГПСЧ 10 и изменяет его состояние. Логические уровни напряжения со смежных выходов ГПСЧ поступают на управляющие входы соответствующих управляемых элементов 2 ... 8 задержки и задают таким образом значение времени задержки в следующем таковом периоде генератора. Время задержки определяется суммарным числом логических "1" на выходах ГПСЧ и может принимать значения от 0 до mΔt, где m - количество используемых смежных разрядов ГПСЧ (в данном примере m = 7). При интегральном исполнении времена задержки всех управляемых элементов задержки идентичны и преобразование количества единиц ГПСЧ в суммарную задержку пропорционально. Следовательно, закон изменения времени задержки также псевдослучайный с близким к нормальному распределением.

Изменяя опорное напряжение на зажиме 11, можно изменять время задержки каждого включенного управляемого элемента задержки и, следовательно, задавать норму фазового дрожания выходных импульсов.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением может использоваться в качестве измерительного генератора при формировании кодовых сигналов в процессе контроля устройств синхронизации и декодирования данных.

На момент подачи заявки на патент разработана электрическая принципиальная схема устройства и проведены его лабораторные испытания.

Литература
1. Тухарели К.Д., Шульга В.Г. Устройства имитации дрожания фазы импульсов кодовых последовательностей. - "Полупроводниковая электроника в технике связи", вып. 19, М., Связь, 1978, с. 154 - 161.

2. Харикумар, Наир. Генератор пульсаций для испытания битового синхронизатора. - Электроника, 1975, N 11, с. 65 - 67.

3. Чулков В. А. Генератор импульсов с фазовым дрожанием. - Приборы и техника эксперимента, 1996, N 2, с. 73 - 74.

4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М., Мир, 1982, с. 357, рис. 20.20.

Генератор импульсов с нормированным фазовым шумом предназначен для моделирования фазового дрожания цифровых сигналов данных при контроле устройств синхронизации и декодирования данных. Достигаемый технический результат - упрощение и обеспечение возможности регулирования нормы фазового дрожания. Генератор импульсов с нормированным фазовым шумом содержит тактовый генератор и генератор псевдослучайных чисел (ГПСЧ), выход тактового генератора соединен с входом ГПСЧ и выходным зажимом устройства через последовательную цепь из идентичных управляемых элементов задержки, задерживающих импульс при наличии управляющего сигнала и не задерживающих при его отсутствии. Управляющие входы управляемых элементов задержки соединены с соответствующими выходами группы смежных разрядов ГПСЧ, а их опорные входы - с общим зажимом регулируемого опорного напряжения. Устройство обеспечивает заданное шумовое фазовое дрожание в заданном частотном спектре. 3 ил.

Генератор импульсов с нормированным фазовым шумом, содержащий тактовый генератор и генератор псевдослучайных чисел, отличающийся тем, что между выходом тактового генератора и выходным зажимом устройства, соединенным с входом генератора псевдослучайных чисел, включены последовательно соединенные управляемые элементы задержки, при этом управляющие входы управляемых элементов задержки подключены к соответствующим выходам группы смежных разрядов генератора псевдослучайных чисел, а их опорные входы - к общему зажиму регулируемого опорного напряжения.