Способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний Советский патент 1984 года по МПК H03B29/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при создании источников шума для измере|ний в любом участке диапазона длин волн, включая световой, Известен способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний, основанный на многократном усилении части сигнала, ответвляемого с выхода нелинейного усилителя через цепь обратной связи на вход нелинейного усилителя Cl3. Однако в известном способе генерирования электромагнитных шумовых колебаний увеличение полосы частот шумового сигнала имеет принципиалып ограничения и, кроме того, параметры шумового сигнала при увеличении поло сы частот становятся отличными от па раметров гауссового шума, т.е. ухудшается его качество. Цель изобретения - увеличение ширины спектра и улучшение качества шумовых колебаний. Поставленная цель достигается тем что при способе генерирования электромагнитных шумовых колебаний, основанном на многократном усилении части сигнала, ответвляемого с выхода нелинейного усилителя через цепь обратной связи на вход нелинейного усилителя, часть сигнала многократно усиливают в режиме непрерывного нарастания изменения амплитуды сигнала с инкрементом за время одного обхода сигналом цепи обратной связи, определяемым условием гчч.;г И задерживают его при каждом обходе цепи обратной связи на вреf/4F , - крутизна амплитудной характеристики нелинейного усилителя в рабочей точке ( X - амплитуда сигнала на входе нелинейного усилите ля, V - амплитуда сигнала на выходе нелинейного усилителя) ; Ф - крутизна зависимости мплитудно зависимого набега фазы сигнала на выходе нелинейного усилителя от амплитуды входного сигнал в рабочей точке; .s коэффициент преобразования фазовой модуляции в амплитудную-, ft - модуль коэффициента передачи цепи обратной связи; Т - время задержки цепи обратной связи; Л - полоса пропускания цепи обратной связи. На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема генератора, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - эквивалентная схема операций (преобразований), совершаемых над сигналом в процессе одного обхода кольца цепи обратной связи (ОС) генератора; на фиг. 3 - нелинейная амплитудная характепистикя нелинейного усилителя, пересекаемая линией обратной связи, на примере которой иллюстрируется возникновение амплитудной стохастической неустойчивости в результате нелинейного растягивающего преобразования малых измене амплитуды в процессе многократного усиления сигнала. Генератор, реализующий предлагаемый способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний, содержит линейный 1 и нелинейный 2 усилители, которые представляют собой лампы бегущей золны (ЛЕВ) и названы так условно в соответствии с тем режимом, в котором они работали линейньй усилитель 1 - в режиме почти линейного усиления, нелинейный усилитель 2 - в существенно нелинейном режиме з.а насьш1ением на падающем участке амплитудной характеристики, т.е. на участке характеристики с отрицательной крутизной. Именно в этом случае генератор превращается в генератор шума, в котором отсутствуют какие-либо дополнительные внешние источники шумового сигнала, необходимые в известном устройстве, а режим генерации электромагнитных шумовых колебаний осуществляется за счет собственной динамики автоко- лебательной системы. Способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний заключается в следукщем. Проследим сначала за преобразованием сигнала в процессе его однократного прохождения от входа нелинейного усилителя 2 до его выхода, затем через цепь ОС, включающую в себя линейный усилитель 1, вновь на вход нелинейного усилителя 2. Для лучшего понимания картины происходя;их при этом явлений структурную электрическую схему реального генератора (фиг. 1) преобразуем в эквивалентную схему (фиг. 2), в которой вьщелим отдельно все линейные и нелинейные преобразования сигнала, исходя из свойств ЛБВ. ЛБВ в нелинейном режиме работы имеет как нелинейную амплитудную характеристику (АХ), т.е. выходной сигнал амплитуды есть нелинейная функция от амплитуды х входного сигнала, так и нелинейную характерис тику амплитудно зависимого набега фазы Ф(х), который практически равен нулю (или постоянен) на линейном участке АХ и имеет существенную зависимость от амплитуды входного сигнала в области нелинейного участка АХ. -Эти свойства ЛБВ, как 1впрочем и любого нелинейного усилителя, могут быть выделены в виде отдельного блока нелинейного преобразования сигнала vCxie на эквивалентной схеме генератора (фиг. 2 Кроме этих нелинейных свойств в эквивалентной схеме должны быть учтены линейные свойства ЛБВ: коэффициент линейного усиления Ч .линейного усилителя 1, задержка сигнала в результате длительного взаимодействия бе-, гущей электромагнитной волны с элект ронным потоком, не зависящая в -линей ном режиме от амплитуды входного сиг и неравномерность частотно характеристики в.диапазоне частот, занимаемом спектром шума и однозначно определяемом полосой пропускания цепи обратной связи iF . Поскольку уже выделена нелинейная задержка в виде нелинейного преобразования его фазы, как Ф(х) , то можнОобъединит 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 генератора в виде одного общего линейного преобразования над сигналом задержку его на время Т. Можно также объединить коэффициент линейного усиления v и коэффи циент передачи пассивного соедините ного тракта цепи ОС у в общее .линейное преобразование с коэффици354ентом передачи цепи ОС /j . И, наконец, неравномерность частотной характеристики ЛБВ, т.е. зависимость коэффициента передачи от частоты Ч (а)), а также ) приводит к необходимости введения еще одной характеристики - линейного преобразования фазовой модуляции, которая определяет изменение частоты генерации в ампли-. тудную, учитываемого некоторым коэффициентом , а зависимости 4 4(,w) и у зг(и-) можно не рассматривать. Поэтому преобразование /J есть просто модуль коэффициента передачи цепи ОС и учитысает 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 Ч(х) и фазы Р(х) сигнала и включенных последовательно с ним блока линейного преобразования амплитуды сигнала /3 , 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 вьщеленных собственных частот, для которых выполняется условие положительной обратной связи и укладывается целое число длин волн.. вдоль цепи. Это обычно приводит к возбуждению системы таким образом, что в установившемся режиме получается дискретный спектр с линиями, соответствующими 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 л F . Согласно предлагаемому способу генерирования электромагнитных шумовых колебаний за счёт собственной динамики колебательной системы (фиг. 2) получения сплошного энергетического спектра можно достичь с помощью особого нелинейного режима, суть которого состоит в том, что прр достижении насыщения S нелинейный усилитель 2 работает в ре жиме сильной зависимости фазы г лектромагнитной волны от уровня входной мощности, что в генераторе, представ ленном на фиг. 1, соответствует расположению рабочей точки на падающем участке амплитудной характеристики. В реальном генераторе -for или иной режим генерации достигается в результате изменения напряжения электропитания электродов ламп (источник 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 /з. При этом есть два эквивалентных пути рассмотрения. Первый из них предполагает, что при заданном значении /3( и т.д.) мгновенно (импульсно) включаются активные элементы генератора и рассматривается установление его стационарного состояния, начиная с нарастания флюктуации систеьы от уровня начальных шумов, в процессе многократных циркуляции сигнала по цепи ОС. Второй путь предполагает, что рассматривается переход от одного состояния непрерывно работающей сис темы в другое состояние в результат плавного изменения коэффициента передачи цепи ОС ft , т.е. изменение его значения до значения/j и т.д. Для лучшего изложения сути предлагаемого способа удобнее использовать второй пыть. Пусть рабочая точка генератора лежит на падающем участке амплитудной характеристики нелинейного усилителя 2 (фиг. 3). Дадим бесконечно малое приращение Л к амплитуде х на входе нелинейного усапителя 2. Для простоты не будем рассматривать воз действие амплитудно зависимого сдви га фазы на амплитуду сигнала, что соответствует отсутствию зависимости Ф(1) и вычеркиванию из эквивалентной схемы (фиг. 2) блока КАД. Тогда на выходе нелинейного усилите ля 2 получаем сигнал с амплитудой .У + л у , который можно записать в . После преобразовиде -а + 7х УЬ амплитуда на вания в элементе 356 его выходе (Ь{ Уд + - л- ). Поскольку задержка сигнала на амплитуду не действует, ее передаточная функция имеет вид р , то на вход. нелинейного усилителя 2 приходит сигнал VQ /J + /5 У 4 X . Следовательно, на вход нелинейного усилителя 2 приходит сигнал с амплитудой Хд + + (Ь ЛХ . Если новое приращение амплитуды //bV г х / /лх/, то в процессе многократных обходов замкнутого контура генератора оно нарастает во времени, т.е. растягивается с инкременгом (x)/. Это условие имеет вид . (1) Если /})д 1, то положение рабочей точки является устойчивым, а возникшее случайное изменение амплитуды лх уменьшается в процессе многократных обходов замкнутой цепи ОС. Такое преобразование сигнала является сжимающим. Выполнение условия (1) означает, что в системе нарушается условие устойчивого существования сигнала с постоянной амплитудой. При малой степени нелинейности, т.е. когда ( | 1, в автогенераторе может возникнуть режим гармонической автомодуляции амплитуда с простым двухтактным циклом. Последнее означает, что в системе возникла новая неустойчивость, и, как ее следствие, новая частота Si , связанная с периодическим характером изменения амплитуды сигнала при многократных обходах им цепи ОС. Период этого нового колебания связан с длительностью Т обхода сигналом кольца ОС простым соотношениемо - 2 - J (г -2Г- т.е. равен двойному времени обхода кольца ОС. Таким образом, спектр сигнала состоит из трех спектральных линий и занимает полосу частот /-2. Отсюда видно, что раскачка неустойивости возможна только в том слуае , если полоса пропускания систеы удовлетворяет условию Таким образом, для возникновения второй частоты в системе, т.е. развития автомодуляционной неустойчивости 11 амплитудь, с двухтактным циклом ее изменения, необходимо одновременное (выполнение условий (1) и (3). Можно показать, что при дальнейшем увеличении /i и соответственно произведения / ) / спектр сигнала непрерывно усложняется и становится непрерывным, а сигнал, генерируе1 1Й системой, стохастическим (шумовым). Для достижения этого режима необходиМО, 1чтобы произведение было больше 2-3, .Для конкретных систем значение этой величины определяется значением произведения л FT . Итак, необходимо чтобы выполнялось условие 2-3 (4) На фиг. 3 представлен пример такого преобразования амплитуды сигнала, где видно, что малое начальное возмущение амплитуды в рабочей точке соответствующей выполнению указанного условия, непрерывно увеличивается (растягивается) на всю область возможных значений входных и выходньк амплитуд сигнала. laKVM образом, в режиме генерации шумовых колебаний над сигналом осуществляют многократное нелинейное растягивающее преобразование, при котором величина изменения сигнала dx на малом интервале времени увеличивается (растягивается) в сред нем с течением времени в процессе многократных циркуляции сигнала по кольцу цепи ОС, и, следовательно, обеспечивают преимущественное усиле ние спектральных составляющих малой амплитуда по сравнению со спектраль ными составляющими с большой амплитудой. В рассмотренном случае обесп чивается преимущественное усиление составляющих спектра автомодуляции по отношению к частоте сигнала. Поскольку реально в любом нелинейном усилителе, в трм числе и ЛБВ амплитудные преобразования одновременно сопровождаются и фазовьми, то нелинейное преобразование сигнав общем случае имеет вид V 1ф{х1 хе ())e , вместо инкремента l/iMxj малые изменения амплитуды х нарастают с инкрементом p1UF(,), 5 для которого обеспечние УСЛОВИЯ непрерывного нарастания (растягивания) их записывается в виде iKlMvIf - , UI Таким образом, условия (5) и (3) ecTb необходим)1е и достаточнЬю условия возникновения режима стохастичес кой амплитудно-фазовой неустойчивости. Этот режим ввиду того, что нерегулярные изменения фазы сигнала эквивалентны нерегулярным изменениям задержки цепи ОС, получил название режима нелинейной флюктуирующей задержки. Наличие фазовой нелинейности Ф(х) существенно облегчает образование стохастического.режима генерации и улучшает качество генерируемого шумового сигнала. Это происходит благдаря тому, что в результате фазовой модуляции спектр сигнала существенно расширяется и энергия более равномерно распределяется по спектру. При наличии фазовой нелинейности, даже в случае отсутствия амплитудного инкремента ( vj 0) , возможно образование в системе автогенератора стохастического режима (режима нелинейной флюктуирующей задержки) за счет нелинейного изменения фазы сигнала на выходе блока нелиней;ного преобразования сигнала. При этом амплитудная модуляция на входе этого блока (фиг. 2), необходимая для обеспечения нелинейного растягивающего преобразования изменений амгоштуды, осуществляется в линейном элементе Кфд за счет обратного (по отношению к нелинейному) преобразования фазовой модуляции сигнала в амплитудную. В этом случае величина инкремента нарастания малых изменений амплитуды должна удовлетворять условию к Ф; р 2-3 (6) Для реализации преимуществ, обусловленных фазовой модуляцией (облегчение возникновения стохастического режима генерации, увеличение щирокополосности и качества щумового сигнала) , необходимо увеличивать полосу пропускания системы Л F по отношению к условияю (3), т.е. необходимо обеспечить

4F . (7)

При этом время корреляции генерируе™ мого шумового сигнала Т -J- ,

определяющее время перекачки энергии между его составляющими, оказывается много меньше времени Т задержки .сигнала в кольце ОС, Поэтому, несмет ,ря на наличие в этом случае в системе многиК соьственных частот, их селективного вьщеления не происходит образом, из-за того,что в нелинейной системе выполняются одновременно условия (5) и (7), в результате растягивающего нелинейного преобразования реализуется режим нелинейной флюктуирующей задержки, обеспечивающий генерацию электромагнитных шумовых колебаний с широким спектром и высоким качеством/

СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ШУМОВЫХ КОЛЕБАНИЙ, основанный на многократном усилении части сигнала, ответвляемого с выхода нелинейно1 о усилителя через цепь обратной связи на вход нелинейного усилителя, отличающийся тем, что,с целью увеличения ширины спектра и улучшения качества шумовых колебаний, часть сигнала многократно усиливают в режиме непрерьшного нарастания изменения амплитуды - сигнала с инкрементом за время одного обхода сигналом цепи обратной связи, определяемым условием и задерживают его при каждом обходе цепи обратной связи на время Т 1MF , / крутизна амплитудной хагде рактеристики нелинейного усилителя в рабочей точке ( X - амплитуда сигнала на входе, нелинейного усилителя :/ - амплитуда сигнала на выходе нелинейного усилителя); А крутизна зависимости амп литудно зависимого набега фазы сигнала на выходе нелинейного усилителя от амплитуды входного сигнала в рабочей точкеi коэффициент преобразования фазовой модуляции в амплитудную-, модуль коэффициента пере/3 Ьд гд дачи цепи обратной связи; Т время задержки цепи обч ратной СВЯЗИ, &э л AF Полоса пропускания цепи обратной связи.

Фиг.1

),йк йФ-Ф

i)

УМР

КФА ЛД

j3ftf4X

gim

,-

УЗ/(ф;,/|Х

Вымд

3k.

йу

КфА

Кф/

УхЛК

Фиг,2