ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ СЛУЧАЙНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ Российский патент 2005 года по МПК H03K5/156 H03K3/84 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к технике генерирования электрических импульсов с модулированной длительностью и может использоваться для имитации сигналов систем передачи данных.

Уровень техники

Оценка запаса работоспособности приемников цифровых сигналов данных, передаваемых по реальным линиям связи, выполняется путем моделирования сигналов с искажениями, проявляющимися в виде случайного отклонения длительности импульсов от среднего значения с заданными статистическими параметрами.

Для этой цели может использоваться устройство в виде компаратора, соединенного входами соответственно с выходом генератора периодических пилообразных импульсов и источника напряжения шума [1], которым может служить любой известный генератор шума [2]. В таком устройстве происходит линейное преобразование напряжения шума в длительность импульса, которая, следовательно, приобретает статистические свойства исходного напряжения шума. Недостатком данного аналога является низкая точность и стабильность статистических характеристик длительности генерируемых импульсов ввиду аналогового характера процессов в нем.

Тот же способ реализован в генераторе равномерно распределенных случайных импульсов [3], который состоит из компаратора, входы которого соединены с выходами соответственно устройства выборки-хранения мгновенного значения напряжения шума и генератора линейно изменяющегося напряжения, входы управления которых соединены с выходом опорного тактового генератора. Точность моделирования шумового отклонения длительности импульса на выходе компаратора в данном аналоге также невысока в связи с аналоговым характером процесса, при котором изменение статистических характеристик напряжения шума при уходе температуры или питающего напряжения приводит к искажению установленных вероятностных моментов длительности импульса.

Известно также устройство [4] для генерирования импульсов с фазовым дрожанием, состоящее из опорного генератора, выходом подключенного одновременно к входу генератора псевдослучайных чисел (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 шумовая модуляция фазы выходного импульса мультиплексора. Благодаря цифровому способу управления фазой импульсов устройство обладает повышенной точностью и стабильностью при генерировании импульсов со случайной фазой. Недостатком устройства-прототипа является ограниченные функциональные возможности, не позволяющие использовать его для получения импульсов случайной длительности.

Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является генератор импульсов с нормированным фазовым шумом [5], содержащий соединенную с входным зажимом последовательную цепь управляемых элементов задержки и ГПСЧ, входом подключенный к выходу последовательной цепи управляемых элементов задержки, а выходами - к управляющим входам соответствующих управляемых элементов задержки. Опорные входы всех управляемых элементов задержки соединены с общим зажимом регулируемого опорного напряжения, а вход последовательной цепи управляемых элементов задержки присоединен к выходу тактового генератора.

Принцип действия устройства-прототипа основан на суммировании в каждом такте работы времен задержки всех управляемых элементов задержки в последовательной цепи, причем время задержки каждого управляемого элемента задержки определяется логическим состоянием соответствующего выхода ГПСЧ. Известно, что сумма содержимого смежных разрядов ГПСЧ подчиняется биномиальному, а при большом числе разрядов нормальному закону распределения [6]. Поэтому момент появления импульса на выходе последовательной цепи управляемых элементов задержки является случайным, его распределение близко к нормальному распределению. Недостаток устройства-прототипа состоит в его ограниченных функциональных возможностях, не позволяющих использовать его непосредственно для получения импульсов случайной длительности.

Сущность изобретения

Цель настоящего изобретения - расширение функциональных возможностей устройства, обеспечивающих получение импульсов случайной длительности с заданными статистическим характеристиками при высокой точности и стабильности, свойственных цифровым устройствам.

Для этого в устройство, содержащее входной зажим, через первый элемент задержки соединенный с последовательной цепью вторых управляемых элементов задержки, и ГПСЧ, входом подключенный к выходу последовательной цепи вторых управляемых элементов задержки, а соответствующими выходами - к их управляющим входам, причем опорные входы всех вторых управляемых элементов задержки соединены с общим зажимом второго опорного напряжения, введен триггер и зажим первого опорного напряжения. При этом входы триггера соединены соответственно с входным зажимом и выходом последовательной цепи вторых управляемых элементов задержки, выход триггера подключен к выходному зажиму устройства, а опорный вход первого элемента задержки соединен с зажимом первого опорного напряжения.

Каждый входящий в состав устройства второй управляемый элемент задержки 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 второго управляемого 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 Δt, определяемое постоянной времени RC-цепи и уровнем напряжения на опорном входе.

Первый элемент задержки представляет собой общеизвестный одновибратор, длительность импульса которого зависит от напряжения на опорном входе, например устройство задержки на ЭСЛ элементах [7].

В предлагаемом устройстве установка триггера выполняется непосредственно входным импульсом, а сброс - импульсом последнего управляемого элемента задержки из последовательной цепи, который появляется в случайные моменты времени. Поэтому длительность выходного импульса триггера суть случайная величина с заданным ГПСЧ и временем задержки управляемых элементов задержки распределением.

Перечень чертежей

На фиг.1 представлена электрическая функциональная схема формирователя импульсов случайной длительности согласно настоящему изобретению.

На фиг.2 показана электрическая принципиальная схема варианта второго управляемого элемента задержки, входящего в состав формирователя импульсов случайной длительности.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Показанная на фиг.1 схема формирователя импульсов случайной длительности содержит соединенные с входным зажимом 1 первый элемент 2 задержки и последовательную цепь вторых управляемых элементов 3...9 задержки. Опорный вход первого элемента 2 задержки присоединен к зажиму 10 первого опорного напряжения, а опорные входы всех вторых управляемых элементов 3...9 задержки соединены с общим зажимом 11 второго опорного напряжения. Устройство включает также ГПСЧ 12, входом подключенный к выходу указанной последовательной цепи вторых управляемых элементов 3...9 задержки, а выходами - к их управляющим входам, а также триггер 13. При этом входы триггера соединены соответственно с входным зажимом 1 и выходом последовательной цепи управляемых элементов 2...8 задержки, а выход триггера 13 подключен к выходному зажиму 14 устройства.

В рассматриваемом варианте осуществления устройства используется RS-триггер 13 с динамическими входами, он взводится и сбрасывается спадами своих входных импульсов. ГПСЧ 12 также тактируется спадами выходных импульсов управляемого элемента 9 задержки.

На фиг.2 представлена схема возможного исполнения второго управляемого 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 15, 16, подключенными к первым входам вентилей 17 и 18. Выходы вентиля 17 являются парафазными выходами 19 и 20 элемента задержки. Времязадающими элементами схемы служат резистор 21 и конденсатор 22, подключенный одной обкладкой к общей шине, а второй вместе с одним выводом резистора 21 - к инверсному выходу вентиля 18 и второму входу вентиля 17. Второй вход вентиля 18 служит управляющим входом 23, а оставшийся вывод резистора 21 - опорным входом 24 каждого второго управляемого элемента 3...9 задержки.

При высоком уровне напряжения логического "0" на управляющем входе 23 на инверсном выходе вентиля 18 удерживается уровень логической "1", поэтому задержка импульса на выходах 19, 20 относительно импульсов на входах 15, 16 равна только собственной задержке вентиля 17. При низком уровне логической "1" на управляющем входе 23 спад импульса на выходе 19 и соответственно фронт импульса на выходе 20 задерживаются относительно импульса на сигнальных входах 15, 16 на время, определяемое скоростью разряда конденсатора 22 через резистор 21 в направлении напряжения на опорном входе 24. По достижении уровнем напряжения на конденсаторе 22 порогового уровня переключения вентиля 17 И-НЕ происходит совпадение уровней "1" на входах этого вентиля, в результате вентиль 17 переключается с задержкой +Δt. Фронт импульса со входа 15 передается на выход 19 практически без задержки (собственная задержка мала).

Формирователь импульсов случайной длительности работает в следующем порядке. Спадом импульса на входном зажиме 1 триггер 13 взводится, а спадом импульса с выхода последовательно соединенных первого элемента 2 задержки и вторых управляемых элементов 3...9 задержки сбрасывается. За счет этого импульс на выходном зажиме 14 устройства - выходе триггера 13 начинается в фиксированный момент времени, а заканчивается в случайный момент времени, который определяется суммой текущих логических состояний выходов ГПСЧ 12 и номиналами времен задержки первого и второго элементов задержки.

Поскольку сумма содержимого смежных разрядов ГПСЧ распределена нормально, то нормально распределена и длительность выходных импульсов. Пусть время задержки первого элемента 2 задержки составляет t_З1, а время задержки каждого i-го второго управляемого элемента 3...9 задержки равно

где - неизменная составляющая, Δt - регулируемая составляющая, Q_i - логическое состояние i-го выхода ГПСЧ. Тогда при n выходов ГПСЧ и соответственно n вторых управляемых элементов задержки выходные импульсы устройства характеризуются следующими параметрами:

- минимальная длительность -

- максимальная длительность -

- математическое ожидание длительности -

- дисперсия длительности -

- ширина энергетического спектра отклонений t_И - от f_ВХ/(2^m-1) до f_ВХ, где f_ВХ - частота входных импульсов, m - разрядность базового сдвигающего регистра в ГПСЧ;

- число ступеней квантования длительности - n.

Среднее значение длительности выходных импульсов регулируется за счет регулирования времени t_З1 первого элемента 2 задержки путем изменения напряжения на зажиме 10 первого опорного напряжения. Изменяя напряжение на зажиме 9 второго опорного напряжения, можно изменять время задержки каждого включенного второго управляемого элемента 3...9 задержки и, следовательно, задавать норму девиаций длительности выходного импульса на зажиме 14. Возможность электронного управления математическим ожиданием и нормой случайной длительности выходного импульса, а также возможность внешнего запуска расширяют функциональные возможности устройства, например при автоматической его настройке.

Литература

1. Тухарели К.Д., Шульга В.Г. Устройства имитации дрожания фазы импульсов кодовых последовательностей. В сб. "Полупроводниковая электроника в технике связи", вып.19. - М.: Связь, 1978, с.154-161, рис.4.

2. Бобнев М.П. Генерирование случайных сигналов. - М.: Энергия, 1971.

3. Генератор равномерно распределенных случайных импульсов. - Патент РФ №2107941, МПК G 06 F 7/58.

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

5. Генератор импульсов с нормированным фазовым шумом. - Патент РФ №2133552, МПК Н 03 К 5/159 (прототип).

6. Корн Г. Моделирование случайных процессов на аналоговых и аналого-цифровых машинах. - М.: Мир, 1968.

7. Леонов А.В., Миронов Б.С., Розенберг А.В., Чоклин В.И. Устройство электронной задержки. - Обмен опытом в радиопромышленности, 1980, №9, с.59-60, рис.1.

Изобретение относится к технике генерирования импульсов с модулированной длительностью и может использоваться для имитации сигналов систем передачи данных. Достигаемый технический результат - получение импульсов случайной длительности с заданными статистическими характеристиками. Формирователь содержит первый элемент задержки, цепь вторых управляемых элементов задержки, генератор псевдослучайных чисел и триггер. 2 ил.

Формирователь импульсов случайной длительности, содержащий входной зажим, через первый элемент задержки соединенный с последовательной цепью вторых управляемых элементов задержки, и генератор псевдослучайных чисел, входом подключенный к выходу последовательной цепи вторых управляемых элементов задержки, а соответствующими выходами - к их управляющим входам, причем опорные входы всех вторых управляемых элементов задержки соединены с общим зажимом второго опорного напряжения, отличающийся тем, что в него введен триггер, входами соединенный соответственно с входным зажимом и выходом последовательной цепи вторых управляемых элементов задержки, а выходом подключенный к выходному зажиму устройства, опорный вход первого элемента задержки соединен с зажимом первого опорного напряжения.