стр.133-187 (1066275), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Современные генераторы сигналов специальной формы от­носятся к универсальным приборам с широким частотным диапа­зоном, большим числом форм и уровней выходных сигналов, а также электронным управлением их параметрами. В ряде случаев генераторы частично или полностью заменяют низкочастотные, в том числе инфранизкочастотные, высокочастотные и импульсные генераторы.

4.5. Генераторы шумовых и шумоподобных сигналов

Широкое применение в измерительной технике находят ге­нераторы шумовых сигналов.

Генераторы шумовых сигналов

Генераторы шумовых сигналов (шумовые генераторы) выра­батывают флуктуационные напряжения с заданными вероятност­ными характеристиками. Основной узел шумового генератора — задающий генератор (рис. 4.9). Его сигналы должны иметь равно­мерную спектральную плотность мощности по всей требуемой по­лосе частот (теоретически это белый шум). В задающем генераторе используют физические явления, при которых возникают достаточно интенсивные шумы со статическими характеристиками и параметрами, поддающимися достаточно несложному математическому анализу.

Нагретый проволочный резистор. В качестве образцового источника шума может служить нагретый проволочный резистор, среднее квадратическое значение напряжения на котором рассчи­тывают по формуле:

где k=1,38∙10^-23 Дж/град — постоянная Больцмана; T — абсо­лютная температура резистора в градусах Кельвина; R — сопро­тивление резистора, Ом; ∆f — рабочая полоса.

Резистор выполняют в виде вольфрамовой спирали, намо­танной на керамический каркас, температуру которой поддержи­вают постоянной.

Болометрический генератор шума. К источникам тепловой шумовой мощности относится и болометрический генератор. Бо­лометр представляет собой вакуумный стеклянный баллон, внут­ри которого натянута вольфрамовая нить.

Источники теплового шума используют в качестве образцо­вых генераторов шумовых напряжений, так как расчетные дан­ные хорошо совпадают с практическими результатами. В шумо­вых генераторах также применяют фотоэлектронные умножители, газоразрядные трубки, шумовые диоды и т.п.

Газоразрядные генераторы шума. Широкое применение в качестве первичного источника шума в сантиметровом диапазоне волн нашли газоразрядные шумовые трубки (ГШТ) с положи­тельным столбом. Газоразрядные шумовые трубки имеют высо­кую равномерность спектральной плотности мощности шума в широкой полосе частот, стабильный и относительно высокий уровень мощности, просты в эксплуатации, устойчивы к жестким воздействиям внешней среды и обладают достаточно высокой эксплуатационной надежностью.

Газоразрядный шумовой генератор выполнен в виде стек­лянной трубки, наполненной инертным газом (аргоном или не­оном). На одном конце трубки расположен прямонакальный, или подогреваемый катод, на противоположном — анод. Свойство газоразрядных трубок генерировать шумы обусловлено колеба­ниями электронов в плазме. Для практического использования шумового излучения положительного столба ГШТ помещают в специальные генераторные секции. В зависимости от диапазона частот и типа трубки можно использовать генераторные секции, выполненные на волноводе, коаксиальной или полосковой линии.

Волноводные шумовые генераторы представляют собой от­резок волновода, в центре широкой стенки которого под малым углом (7...15)° помещают ГШТ. Наклонное положение трубки в волноводе обеспечивают при разряде равномерное внесение по­терь на достаточной длине линии, благодаря чему достигают удовлетворительного согласования ГШТ с линией передачи в широком диапазоне частот.

В длинноволновой части сантиметровых волн из-за сложно­сти согласования трубки с линией передачи обычно применяют коаксиальные или полосковые генераторы шума.

В коаксиальных генераторах шума ГШТ помещают внутри ленточной спирали, которая является внутренним проводником коаксиальной линии. Внешним проводником служит цилиндри­ческая поверхность корпуса линии. Форму спирали (зазор между соседними витками, диаметр спирали) определяют исходя из требуемого волнового сопротивления, связи трубки с линией пе­редачи, диапазона частот.

Полосковые генераторы шума представляют собой симмет­ричную полосковую линию, вдоль оси которой помещают газо­разрядную шумовую трубку.

Интенсивность излучения ГШТ определяется в основном электронной температурой плазмы. Потери, вносимые генерато­ром шума в тракт, в выключенном состоянии определяются поте­рями в стенке трубки, линии передачи и т.д.

На практике используют генераторы шума в импульсном режиме. Длительность импульса горения ГШТ ограничена дли­тельностью переходного процесса в газовом разряде. В зависи­мости от допустимых искажений минимальная длительность мо­дулирующего импульса составляет 0,2... 1 мс.

Генераторы на лавинно-пролетных диодах. Из полупровод­никовых генераторов шума в практике измерений широко ис­пользуют схемы на лавинно-пролетном диоде (ЛПД). Генераторы состоят из ЛПД и генераторной секции, согласующей входное сопротивление p-n-перехода с сопротивлением нагрузки. Основ­ным источником шумового излучения в ЛПД являются дробовые флуктуации тока насыщения диода. Генераторы шума на ЛПД перекрывают дециметровый и сантиметровый диапазоны волн. Они могут работать как в режиме непрерывных колебаний, так и в режиме импульсной модуляции при длительности импульсов от нескольких долей микросекунд и более.

Генераторы шумоподобных сигналов

В настоящее время в теоретической радиотехнике, системах передачи информации и, особенно, системах мобильной связи усиленно внедряют сигналы с заданными корреляционными и спектральными свойствами. Эти сигналы имеют спектральные характеристики, близкие к белому (квазибелому, т.е. почти бело­му) шуму в широкой полосе частот. Подобные сигналы принято называть шумоподобными (широкополосными) сигналами (ШПС). Структура ШПС хорошо приспособлена для цифровых систем связи: во-первых, они позволяют уплотнить перегружен­ный частотный диапазон, а во-вторых, обеспечивают скрытность передачи информации или абонентских переговоров.

Учитывая отмеченное, в контрольно-измерительных устрой­ствах все более широкое распространение получают измеритель­ные широкополосные (шумовые) генераторы, выполняемые на элементах цифровой техники. По сравнению с генераторами, в основе которых лежат физические приборы, в подобных генера­торах используют программные пакеты, и поэтому они обладают рядом достоинств: возможность точного контроля частоты и точ­ного определения статистических характеристик генерируемого сигнала и т.д.

Если рассматривать импульсные последовательности, со­стоящие из n=М двоичных импульсов прямоугольной формы, которые в соответствии с номером позиции во времени прини­мают значения ± 1 (иногда — 1 и 0), то простым перебором мож­но найти такие последовательности, для которых

где Е — энергия всей последовательности импульсов; Е₁ — энер­гия импульса.

Последовательность шумоподобных сигналов повторяют через период Т=n∆t=(2^m — 1)∆t, где ∆t=1/F_с — интервал следо­вания сдвигающих импульсов (рис. 4.10, а), или длительность одного элемента (F_с — частота следования импульсов). Напри­мер, изображенная на рис. 4.10, б псевдослучайная двоичная по­следовательность, имеет период содержащий 8 элементов.

Не вдаваясь в подробности, отметим, что автокорреляци­онная функция (АКФ; эта функция отражает связь между сигна­лом и его сдвинутой во времени копией) двоичного псевдослучайного сигнала изменяется линейно на интервале ∆t. У рас­сматриваемой двоичной псевдослучайной последовательности АКФ имеет вид, изображенный на рис. 4.10, в.

Наиболее распространенным примером современной тех­нической реализации шумоподобных сигналов (сигнальной конструкции) служат сформированные определенным образом псевдослучайные последовательности прямоугольных радиоимпульсов, в частности, при манипуляции несущего колебания двоичными кодами. При этом наиболее успешно развивают цифровые методы генерации сигналов на основе дискретных ортогональных сигналов в виде линейных М-последовательностей, функций Уолша и др.

Линейные двоичные М-последовательности

Шумоподобный сигнал генерируют в виде двоичной после­довательности импульсов, причем переключение с одного эле­мента на другой происходит через равные интервалы ∆t и выпол­няется псевдослучайным образом. Поэтому длительность существования уровней 1 или -1 — псевдослучайна. Для линей­ной двоичной М-последовательности характерно следующее.

1. Отношение уровня главного максимума к максимальному значению боковых лепестков АКФ приближенно растет как n^1/2 , где n=М=2^m-1 — число импульсов в последовательности; m — целое положительное число.

2. Ее можно сформировать регистром сдвига на т разрядов.

3. Форма АКФ М-последовательности сходна с формой АКФ квазибелого шума с ограниченным спектром.

4. Спектр мощности линейчатый с огибающей, описываемой функцией [(sinπf∆t)/(πf∆t)]². Расстояние по оси частот между со­седними спектральными линиями составляет ∆f=1/(М∆t)=F_c/М. Первый нуль огибающей расположен в точке F_с=1/∆t=M∆f, вто­рой — точке 2F_c=2/∆t и т.д., причем 92% мощности сигнала за­ключено в полосе от 0 до F_с. Постоянная составляющая равна 1/М.

5. Среди элементов найдутся любые комбинации из + 1 и - 1,
   состоящие из m членов (кроме запрещенной комбинации, включающей только + 1).

М-последовательность генерируют (формируют) m-разрядным двоичным регистром сдвига, который охвачен обратной связью через сумматор, осуществляющий суммирование по модулю 2 (способы введения обратных связей табулированы).

На рис. 4.11 в качестве примера показан 4-разрядный сдви­гающий регистр, который формирует М-последовательность, со­держащую 15 элементов в одном периоде. Регистр имеет четыре цифровых триггерных ячейки, соединенных последовательно. Их прямые выходы обозначены соответственно Q₁, Q₂, Q₃, Q₄. Выход регистра Q₄ служит выходом генератора.

Как известно, на выходе триггерной ячейки могут быть за­фиксированы либо 1, либо 0. В схеме генератора сдвигающий (тактовый) импульс, подводимый к входу С регистра, подают на все триггеры одновременно. Если триггер i-го разряда находится в положении 0 (что означает 0 на выходе Q_i), то импульс не воз­действует на него. В противоположном случае, т.е. когда триггер пребывает в состоянии 1, сдвигающий импульс переключает его в положение 0, в результате чего кодовая 1 записывается в триггер (i+1)-го разряда.

Тактовые импульсы подают с частотой F_с (периодом ∆t), и каждый новый импульс продвигает единицу все дальше по на­правлению к выходу регистра. Когда на выходе сумматора по модулю 2 появляется единица, то она поступает на вход D реги­стра и записывается в первую триггерную ячейку. Очередной тактовый импульс сдвигает эту единицу в следующую ячейку и т.д. Положим, что в начальном состоянии в регистре записано число 1000. Его будем считать 1-й комбинацией единиц и нулей. С приходом первого сдвигающего импульса это число изменится — получится 2-я комбинация — 1100, и т.д. После 15-й комбинации образуется вновь 1-я и число на выходе регистра — 1000. Ниже в табл. 4.1 приведены 15 комбинаций (в скобках указана цифра, получающаяся на выходе сумматора по модулю два).

Таблица 4.1. Комбинации чисел в схеме генератора

№ комбинации	Число	№ комбинации	Число	№ комбинации	Число
1	1000 (1)	6	1011 (0)	11	0011 (1)
2	1100 (0)	7	0101 (1)	12	1001 (0)
3	1110 (1)	8	1010 (1)	13	0100 (0)
4	1111 (0)	9	1101 (0)	14	0010 (0)
5	0111 (1)	10	0110 (0)	15	0001 (1)

Итак, на выходе генератора, т.е. выходе Q₄, за один цикл (период T) образуется последовательность нулей и единиц (см. последнюю цифру каждой комбинации): 000111101011001.

Изменение частоты следования сдвигающих импульсов F_с при неизменной длине последовательности (М=const) пропор­ционально изменяет расстояние между спектральными линиями, но не меняет числа линий в лепестке или общей мощности сигнала. Спектральная плотность мощности обратно пропор­циональна частоте F_с. Изменение длины последовательности М при F_с=const также сопровождается изменением расстояния ме­жду спектральными линиями, но обратно пропорциональным. Соответственно изменяется число линий в лепестке. Однако общая мощность сигнала и распределение ее по лепесткам сохраняются. Следовательно, высоты спектральных линий изменяются так, что спектральная плотность мощности остается постоянной.

Характеристики

Список файлов учебной работы