Параметрический генератор бегущей волны стохастических колебаний

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для моделирования случайных процессов. Достигаемый технический результат - увеличение спектральной плотности мощности мгновенных значений амплитуд стохастических колебаний и получение равномерного пуассоновского закона рапределения. Параметрический генератор бегущей волны стохастических колебаний содержит нелинейный усилитель, инерционный блок, 1, ..., n-й блоки нелинейных элементов, полосовой фильтр второго порядка и генератор накачки. 4 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для моделирования случайных процессов, а также для преобразования сигналов, несущих информацию, с последующим ее восстановлением в радиотехнических и вычислительных устройствах.

Известен генератор шума [1], выполненный на двух полупроводниковых диодах, при этом анод первого диода и катод второго диода через конденсатор подключены к выводам суммирующего потенциометра.

Шумовое напряжение возникает из-за флюктуации тока при лавинном пробое первого и второго диодов в режиме микротоков. Величина тока в цепи определяется величиной резисторов и напряжением стабилизации диодов.

Недостатком известного генератора шума является его нормальный закон распределения мгновенных значений амплитуд шума, который ограничивает возможности применения генератора при моделировании стохастических и хаотических процессов в радиофизике и в естественных средах с равномерным - пуассоновским законом распределения и суживает его использование в системах преобразования сигналов, несущих информацию.

Известен способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний [2] и радиотехнические схемы генераторов, реализующие данный способ [3] - прототип, называемые системой с запаздывающей обратной связью или кольцевой системой.

Система с запаздывающей обратной связью (СЗОС) содержит соединенные последовательно и замкнутые в кольцо нелинейный усилитель, линейный инерционный блок и линейный полосовой фильтр второго порядка, причем выход полосового фильтра подключен ко входу нелинейного усилителя. Указанная СЗОС становится автоколебательной при К_ос×К_ус>1 и при ϕ_ос+ϕ_ус+ϕ_иб=2π.

При определенных соотношениях значений коэффициентов усиления нелинейного усилителя - К_ус, Т - времени задержки в линейном инерционном блоке, выполненном как линейный усилитель с запаздыванием, и добротности - Q в СЗОС могут возникать различные стохастические колебания, в том числе хаотические, у которых закон распределения мгновенных значений амплитуд оказывается равномерным - пуассоновским или близким к нему.

Основными недостатками прототипа являются малый диапазон значений параметров К_ус, Т и Q, при которых возникают стохастические (хаотические) колебания, сравнительно узкая полоса частот стохастических колебаний относительно несущей частоты, определяемой полосой пропускания линейного полосового фильтра второго порядка, и низкий уровень мгновенных значений амплитуд. При других, отличных от оптимальных соотношениях параметров К_ус, Т - времени задержки в линейном инерционном блоке, и добротности - Q колебания на выходе СЗОС либо слабо нелинейные гармонические, либо случайные, с нормальным распределением. Состояние динамики колебаний системы выражает карта динамических режимов.

Данное предлагаемое изобретение предназначено для математического моделирования процессов в радиофизических системах и в естественных средах, а также для создания систем преобразования информации в широкодиапазонных средствах связи с последующим ее оптимальным восстановлением баз потерь.

Технический результат, создаваемый изобретением, заключается в расширении области значений параметров К_ус, Т и Q системы, при которых возникают стохастические (хаотические) колебания, расширении полосы частот этих колебаний относительно несущей частоты - собственной резонансной частоты полосового фильтра, увеличении спектральной плотности мощности мгновенных значений амплитуд стохастических колебаний и получении равномерного - пуассоновского закона распределения.

Указанный результат достигается тем, что параметрический генератор бегущей волны стохастических колебаний, содержащий нелинейный усилитель, инерционный блок и полосовой фильтр второго порядка, дополнительно снабжен 1...n блоками нелинейных элементов и генератором накачки, выход нелинейного усилителя подключен ко входу полосового фильтра через соединенные последовательно инерционный блок и 1...n блоки нелинейных элементов, вторые входы которых подключены к выходу генератора накачки, выход полосового фильтра соединен со входом нелинейного усилителя.

На фиг.1 представлена блок-схема параметрического генератора бегущей волны стохастических колебаний.

На фиг.2 показана эквивалентная электрическая схема последовательного соединения нелинейных элементов параметрической системы - туннельных диодов.

На фиг.3 представлена вольт-амперная характеристика туннельного диода, изменение энергии на его конденсаторе (фиг.3а) и изменение формы сигнала (фиг.3б).

На фиг.4 дана карта динамических режимов системы СЗОС с двумя нелинейными элементами.

Параметрический генератор бегущей волны стохастических колебаний содержит блок 1 - нелинейный усилитель, блок 2 - инерционный блок, 3(1)...3(n)-1...n-й нелинейные элементы, 4 - полосовой фильтр, 5 - генератор накачки.

Нелинейный усилитель 1 имеет экспоненциальную амплитудную характеристику с коэффициентом усиления К_ус.

Инерционный блок 2 имеет линейную амплитудную характеристику с запаздыванием на время Т.

Нелинейные элементы 1...n могут иметь любые частотно независимые вольт-амперные характеристики, например, туннельного диода, диода Чуа, варикапа и др. или их любые сочетания. Принятые нелинейные вольт-амперные характеристики в каждом конкретном случае будут определять характер и особенности динамических режимов СЗОС в зависимости от величин параметров К_ус, Т - времени запаздывания и Q - добротности линейного полосового фильтра второго порядка.

Физическими и системотехническими условиями возникновения в СЗОС бегущей волны стохастических автоколебаний широкого спектра являются следующие.

Если на вход нелинейной системы поступает гармонический синусоидальный сигнал

X(t)=Asinωt и нелинейная характеристика преобразователя может быть разложена в ряд Тейлора

Y(t)=а₁x(t)+a₂x·2(t)+a₃x·3(t)+..., то выходной сигнал Y(t) после нелинейного преобразования можно описать в виде

Если в системе возникли колебания с участием и комбинационных составляющих частот, например гармонических x(t)=А₁sin(ω₁t+ϕ₁)+A₂sin(ω₂t+ϕ₁), то в результате квадратичного нелинейного преобразования возникнут комбинационные составляющие со всевозможными частотами ω_n±ω_m, амплитуды которых будут определяться произведением соответствующих амплитуд A_n и A_m.

В параметрическом генераторе бегущей волны стохастических колебаний параметрическая накачка и последовательное соединение n-нелинейных элементов многократно интенсифицируют нелинейные кратные гармонические и субгармонические переходы и резонансные преобразования, и, таким образом, в системе могут образовываться колебания весьма сложной формы и широкого спектра. Кроме того, последовательное соединение нелинейных элементов по схеме бегущей волны увеличивает амплитуду сигнала за счет накачки.

Явления и процессы в системах с переменными параметрами, зависящими от времени, называют параметрическими. Если какое-либо реактивное сопротивление в электрической цепи системы - параметр, от значения которого зависят потенциальная и кинетическая энергии, периодически будет изменяться, то наступает параметрическое возбуждение колебаний, когда отношение одного из собственных колебаний системы ω_о к частоте изменения параметра оказывается близким к n/2, где n=1, 2, 3....

Если в качестве нелинейного элемента в параметрической системе выбран, например, туннельный диод, у которого малая величина собственной емкости (фиг.2) изменяется в соответствии с его вольт-амперной характеристикой (фиг.3), то в результате двух его переключений за счет сигнала накачки туннельный диод запасает поступившую энергию, и колебания нарастают с величиной запасенной энергии.

Таким образом, вся энергия накачки и энергия сигнального контура переходят в энергию колебаний суммарной частоты, повышая тем самым коэффициент усиления и амплитуду сигналов на выходе туннельного диода. Это способствует расширению динамического диапазона колебаний и, следовательно, расширению спектра колебаний. Если несколько нелинейных элементов включить последовательно, то электромагнитная волна, распространяясь по волноводу, будет последовательно взаимодействовать с каждым из параметрических элементов.

При оптимально подобранных частотах и длинах волн накачки усиление станет расти экспоненциально по мере распространения сигнала. Такая система известна как усилитель "бегущей волны". В параметрическом усилителе бегущей волны полоса частот спектра относительно несущей частоты расширяется и может достигать 25% и более [4].

Таким образом, дополнительное снабжение СЗОС n-параметрическими нелинейными элементами, включенными последовательно, расширяет спектр стохастических колебаний, повышает усиление и обеспечивает, тем самым, равномерное - пуассоновское распределение мгновенных значений амплитуд при значительно более широком значении параметров К_ус, Т и Q.

Режим автоколебаний возникает, когда система теряет устойчивость, определяемую параметрами амплитуды, как произведения К_ус×К_ос, и фазы, как ϕ_ос+ϕ_ус+ϕ_иб=2π.

Параметрический генератор бегущей волны стохастических колебаний работает следующим образом.

При замыкании обратной связи параметрического генератора бегущей волны стохастических колебаний с заранее установленными оптимальными значениями параметров К_ус, Т и Q и с установленными амплитудой и частотой накачки или при подаче питающего напряжения в результате флуктуации токов на выходе генератора - на выходе последней нелинейности возникают колебания, амплитуда которых быстро нарастает, а частота после нескольких циклов квазигармонических колебаний становится стохастической - хаотической. Это осуществляется из-за того, что уже на самых первых периодах колебаний происходит образование нелинейных гармонических и субгармонических составляющих, которые возникают на нелинейной амплитудно-частотной характеристике нелинейного усилителя, которые затем многократно искажаются на последовательно соединенных частотно-независимых характеристиках нелинейностей и которые попадают поэтому на скаты характеристики добротности полосового фильтра. Полосовой фильтр ограничивает в пределах свой полосы частот спектр колебаний, искажая гармоники, а время запаздывания Т инерционного блока задерживает колебания, нарушая, тем самым, синхронизм. Все эти преобразования, в конечном итоге, приводят к образованию стохастических (хаотических) колебаний со спектром, приближающимся к сплошному, с равномерным распределением пиковых значений амплитуд. Амплитуды колебаний быстро нарастают до своего максимального значения за счет энергии сигналов накачки.

Динамику работы нелинейных систем обычно отображают фазовыми портретами колебаний, построенными в координатах dy/dt, y(t), где y(t) - текущее значение амплитуды на выходе колебательной системы. Кривая на фазовом портрете называется аттрактором. Форма аттрактора характеризует особенности динамики - консервативных или неконсервативных колебаний. Состояние динамики оценивают спектральной плотностью мощности.

На фиг.4 приведен конкретный пример карты динамических режимов стохастических колебаний работы параметрического генератора бегущей волны, на которой в центре представлены 3D-значения спектральной плотности мощности колебаний, а по периферии - формы аттракторов и временных форм колебаний на выходе генератора. Области густого красного цвета - области хаотических режимов.

Таким образом, параметрический генератор бегущей волны стохастических колебаний обеспечивает получение стохастических (хаотических) колебаний, расширяет диапазон значений параметров генератора К_ус, Т и Q, при которых такие колебания возникают, расширяет полосу частот колебаний относительно несущей частоты, увеличивает значения спектральной плотности мощности стохастических колебаний и обеспечивает получение равномерного - пуассоновского закона распределения.

Указанные отличия параметрического генератора бегущей волны стохастических колебаний позволяют использовать его для моделирования случайных процессов, а также для преобразования сигналов, несущих информацию, с последующим ее восстановлением в радиотехнических и вычислительных устройствах.

Источники информации

1. АС СССР №348156. Черепов В.Ф., Алексеев Г.А. Генератор шума. БИ №43. 25.11.75.

2. АС СССР №1125735. Кислов В.Я., Мясин Е.А., Богданов Е.В. Способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний. БИ №43. 23.11.84.

3. Дмитриев А.С., Кислов В.Я. Стохастические колебания в радиофизике и электронике. - М.: Наука, 1989. 280 с.

4. Лопухин В.М., Рошаль А.С. Электронно-лучевые параметрические усилители. - М.: Наука. 1968. 280 с.

Параметрический генератор бегущей волны стохастических колебаний, содержащий нелинейный усилитель, инерционный блок и полосовой фильтр второго порядка, дополнительно снабжен 1, ..., n блоками нелинейных элементов и генератором накачки, выход нелинейного усилителя подключен ко входу полосового фильтра через соединенные последовательно инерционный блок и 1, ..., n блоки нелинейных элементов, вторые входы которых подключены к выходу генератора накачки, выход полосового фильтра соединен со входом нелинейного усилителя.