ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ С ПРОЦЕНТНЫМ ФАЗОВЫМ ШУМОМ Российский патент 2005 года по МПК H03K5/156 H03K3/84 

Настоящее изобретение относится к технике генерирования электрических импульсов и может быть использовано в качестве измерительного генератора при моделировании сигналов данных в системах передачи цифровой информации.

Уровень техники

Для оценки запаса работоспособности приемников цифровых сигналов данных, например в устройствах цифровой магнитной записи, необходимо имитировать сигналы с характерными искажениями - фазовым дрожанием (шумом). Фазовый шум с заданными статистическими свойствами наиболее точно моделируют цифровые устройства на основе генератора псевдослучайных чисел (ГПСЧ).

Известен генератор пульсаций с псевдошумовым значением мгновенной частоты [1], включающий последовательно соединенные ГПСЧ, аналоговый сумматор и управляемый напряжением генератор. В этом устройстве благодаря нормальному распределению суммы содержимого смежных разрядов ГПСЧ напряжение на выходе сумматора и, следовательно, мгновенная частота управляемого генератора также подчиняются нормальному закону распределения. При этом ширина энергетического спектра девиаций мгновенной частоты задается разрядностью ГПСЧ, а их норма - коэффициентом передачи сумматора. Однако точность моделирования фазового шума в этом устройстве невысока ввиду косвенного воздействия на фазу импульса через мгновенную частоту и наличия нестабильных аналоговых блоков - сумматора и управляемого генератора.

Известен также генератор импульсов с фазовым дрожанием [2], состоящий 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 аналоге, построенном полностью на цифровых блоках, осуществляется непосредственное воздействие на фазу выходного импульса мультиплексора. Благодаря этому устройство обладает повышенной точностью и стабильностью. Недостатком данного аналога являются невозможность плавного регулирования нормы фазового шума, которую можно изменить только путем замены линии задержки.

Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является генератор импульсов с нормированным фазовым шумом [3]. Устройство-прототип содержит ГПСЧ, входом подключенный к выходному зажиму устройства и выходу последовательной цепи элементов задержки. Каждый элемент задержки снабжен управляющим входом, соединенным с соответствующим выходом генератора псевдослучайных чисел, и опорным входом, соединенным с общим зажимом управляющего напряжения. Вход последовательной цепи элементов задержки соединен при этом с выходом тактового генератора. При простой структуре данного устройства в нем обеспечивается плавное регулирование нормы фазового шума изменением управляющего напряжения.

В устройстве-прототипе норма фазового шума не зависит от периода тактового генератора, что является его недостатком, так как при выполнении измерений после перестройки тактовой частоты необходимо вновь регулировать уровень фазового шума.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является обеспечение процентного отношения нормы фазового шума к периоду генерируемых импульсов. Указанная цель достигается включением последовательной цепи элементов задержки во времязадающую схему генератора импульсов.

Для этого в устройство, содержащее ГПСЧ, входом подключенный к выходному зажиму устройства и выходу последовательной цепи первых элементов задержки, снабженных управляющими входами, соединенными с выходами группы смежных разрядов генератора псевдослучайных чисел, и опорными входами, соединенными с общим зажимом управляющего напряжения, введены дополнительно инвертор и второй элемент задержки, имеющий подключенный к зажиму управляющего напряжения опорный вход. При этом инвертор и второй элемент задержки включены последовательно между выходным зажимом устройства и входом последовательной цепи первых элементов задержки.

Как и в устройстве-прототипе, каждый из первых элементов задержки, входящих в последовательную цепь, 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 элемента задержки. Опорным входом первого элемента задержки служит свободный вывод резистора RC-цепи, конденсатор которой соединен с общей шиной. В таком элементе задержки при высоком уровне «0» управляющего сигнала с ГПСЧ фронт и спад импульса на выходе задерживается относительно входного импульса только на время задержки распространения второго элемента И-НЕ. При низком уровне «1» на управляющем входе положение фронта выходного импульса не изменяется, а спад импульса задерживается дополнительно на время, определяемое постоянной времени RC-цепи и уровнем напряжения на опорном входе.

Вновь введенный второй элемент задержки не имеет управляющего входа. Он может быть выполнен в виде первого и второго последовательно включенных дифференциальных приемников с линии ЭСЛ, выходы первого приемника с линии, между которыми включен конденсатор, через соответствующие резисторы присоединены к опорному входу элемента задержки. Указанные резисторы могут быть переменными для начального регулирования времени задержки, и вместе с ним тактовой частоты устройства в целом. Во втором элементе задержки фронт и спад импульса задерживаются одинаково, время задержки зависит от емкости конденсатора и сопротивлений резисторов и изменяется при изменении опорного напряжения.

Соединенные в кольцо последовательная цепь первых элементов, инвертор и второй элемент задержки представляет собой генератор импульсов, период которых равен удвоенному суммарному времени задержки всех первых и второго элемента задержки. В каждом периоде импульс с выхода второго элемента задержки, проходя через последовательную цепь первых управляемых элементов задержки, задерживаются этой цепью на время, пропорциональное количеству единиц на выходах ГПСЧ. Поскольку количество единиц на смежных выходах ГПСЧ, соединенных с управляющими входами первых элементов задержки суть псевдослучайное число, то и время задержки импульсов также носит шумовой характер с нормальным законом распределения.

При изменении напряжения на опорных входах первых и второго элементов задержки времена их задержки изменяются согласованно, то есть одновременно изменяется как период импульсов, так и норма их дрожания. Процентное отношение нормы фазового шума к периоду остается неизменным.

Перечень чертежей

На фиг.1 представлена электрическая функциональная схема генератора импульсов с процентным фазовым шумом согласно настоящему изобретению.

На фиг.2 показан электрическая принципиальная схема варианта исполнения первого элемента задержки, входящего в состав генератора импульсов с процентным фазовым шумом.

На фиг.3 изображена электрическая принципиальная схема варианта исполнения второго элемента задержки, входящего в состав генератора импульсов с процентным фазовым шумом.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Показанная на фиг.1 схема генератора импульсов с процентным фазовым шумом включает генератор 1 псевдослучайных чисел, входом подключенный к выходному зажиму 2 устройства и выходу последовательной цепи первых элементов 3...9 задержки, снабженных управляющими входами, соединенными с выходами группы смежных разрядов генератора 1 псевдослучайных чисел, и опорными входами, соединенными с общим зажимом 10 управляющего напряжения. Между выходным зажимом 2 устройства и входом последовательной цепи первых элементов 3...9 задержки введены последовательно соединенные инвертор 11 и второй элемент 12 задержки, имеющий подключенный к зажиму 10 управляющего напряжения опорный вход.

ГПСЧ 1 представляет собой регистр сдвига с обратной связью через логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ [4]. Длительность цикла ГПСЧ составляет 2ⁿ-1 периодов тактового генератора. Известно, что энергетический спектр шумового процесса, формируемого ГПСЧ, простирается от частоты тактового генератора (верхняя граница) до частоты, в (2ⁿ-1) раз ниже указанного значения (нижняя граница). Для управления задержкой импульсов в данном конкретном варианте осуществления устройства используется семь смежных выходов ГПСЧ, количество единиц на которых может быть от 0 до 7.

Следовательно, описываемый пример осуществления имеет 8 уровней квантования фазы импульсов.

На фиг.2 представлена схема возможного исполнения первого элемента 3...9 задержки, 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 парафазными входами 13, 14, подключенными к первым входам вентилей 15 и 16. Выходы вентиля 15 являются выходами 17 и 18 элемента задержки. Времязадающими элементами схемы служат резистор 19 и конденсатор 20, подключенный одной обкладкой к общей шине, а второй вместе с одним выводом резистора 19 - к инверсному выходу вентиля 16 и второму входу вентиля 15. Второй вход вентиля 16 служит управляющим входом 21, а оставшийся вывод резистора 19 - опорным входом 22 первого элемента задержки.

При высоком уровне напряжения логического «0» на управляющем входе 21 на инверсном выходе вентиля 16 удерживается уровень логической «1», поэтому задержка импульса на выходах 17, 18 относительно импульсов на входах 13, 14 не возникает (собственной задержкой вентиля 15 можно пренебречь). При низком уровне логической «1» на управляющем входе 21 спад импульса на выходе 17 и соответственно фронт импульса на выходе 18 задерживаются относительно импульса на сигнальных входах 13, 14 на время, определяемое скоростью разряда конденсатора 20 через резистор 19 в направлении напряжения на опорном входе 22. По достижении уровнем напряжения на конденсаторе 20 порогового уровня переключения вентиля 15 И-НЕ происходит совпадение уровней «1» на входах этого вентиля, в результате вентиль 15 переключается с задержкой. Фронт импульса на входе 13 передается на выход 17 практически без задержки.

На фиг.3 изображена схема возможного исполнения второго элемента 12 задержки, который имеет парафазные входы 23, 24 и парафазные выходы 25, 26. Схема состоит из первого 27 и второго 28 дифференциальных приемников с линии ЭСЛ типа, которые соединены последовательно. При этом выходы первого приемника 27, присоединенные к входам второго приемника 28, соединены между собой через конденсатор 29, и через соответствующие резисторы 30, 31 подключены к опорному входу 32 второго элемента 12 задержки.

Схема данного элемента задержки описана в литературе [5] и отличается равными временами задержки при передаче фронта и спада входного импульса с электронной перестройкой времени задержки не менее чем в два раза.

Генератор импульсов с процентным фазовым шумом, показанный на фиг.1, работает в следующем порядке. Если в исходном состоянии, например при включении питания, на выходах всех элементов 3...9 и 12 присутствуют уровни логического «0», то инвертор 11 выдает на вход второго элемента 12 задержки уровень логической «1», которая начинает распространяться по всем элементам 12 и 3...9 задержки. Достигнув выхода элемента 9 задержки, эта «1» инвертируется инвертором 11, после чего происходит распространение по цепи всех названных элементов задержки уровня логического «0». После достижения уровнем «0» входа инвертора работа устройства повторяется, то есть последовательная цепь элементов задержки с обратной связью через инвертор представляет собой генератор импульсов. Период импульсов равен удвоенному суммарному времени задержки всех первых 3...9 и второго 12 элементов задержки.

В каждом периоде импульс с выхода второго элемента 12 задержки, проходя через последовательную цепь первых управляемых элементов 3...9 задержки, задерживаются этой цепью на время, пропорциональное количеству единиц на выходах ГПСЧ 1. Поскольку количество единиц на смежных выходах ГПСЧ 1, соединенных с управляющими входами первых элементов 3...9 задержки суть псевдослучайное число, подчиняющееся нормальному закону распределения, то и время задержки импульсов также носит шумовой характер с нормальным законом распределения. Поэтому временная позиция импульса внутри периода (или, что то же самое, фаза импульса) также случайна и подчинена нормальному закону распределения. Норма фазового шума определяется временем задержки первых элементов 3...9 задержки и их количеством. Средний период импульсов на выходном зажиме 2 (его математическое ожидание) равен

где t_з1 и t_з2 - время задержки соответственно одного из первых 3...9 и второго 12 элементов задержки.

При изменении напряжения на опорных входах первых и второго элементов задержки времена их задержки изменяются согласованно, то есть одновременно изменяется как период импульсов, так и норма их дрожания. Процентное отношение нормы фазового шума к периоду остается неизменным.

Литература

1. Харикумар, Наир. Генератор пульсаций для испытания битового синхронизатора. - Электроника, 1975, №11, с.65-67.

2. Чулков В.А. Генератор импульсов с фазовым дрожанием. - Приборы и техника эксперимента, 1996, №2, с.73-74.

3. Генератор импульсов с нормированным фазовым шумом. - Патент РФ №2133552. МКИ 6 Н 03 К 5/159.

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

5. Колесов С.А., Бовырин В.В. Управляемые схемы задержки на интегральных ЭСЛ микросхемах. - Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВТ, 1985, вып. 9, с.126-132, рис.1.

Изобретение относится к технике генерирования электрических импульсов и может быть использовано в качестве измерительного генератора при моделировании сигналов данных в системах передачи цифровой информации. Достигаемый технический результат - обеспечение процентного отношения нормы фазового шума к периоду генерируемых импульсов. Генератор содержит генератор псевдослучайных чисел, последовательную цепь первых элементов задержки, инвертор и второй элемент задержки. 3 ил.

Генератор импульсов с процентным фазовым шумом, содержащий генератор псевдослучайных чисел, входом подключенный к выходному зажиму устройства и выходу последовательной цепи первых элементов задержки, снабженных управляющими входами, соединенными с выходами группы смежных разрядов генератора псевдослучайных чисел, и опорными входами, соединенными с общим зажимом управляющего напряжения, отличающийся тем, что между выходным зажимом устройства и входом последовательной цепи первых элементов задержки введены последовательно соединенные инвертор и второй элемент задержки, имеющий подключенный к зажиму управляющего напряжения опорный вход.