Расчёт генератора шума

Реферат

Курсовая работа – с. 20, ил. 6, библиогр. ссылок 3 назв.; графическая часть – 1 лист формата А3, 1 лист формата А4.

ГЕНЕРАТОР ШУМА, ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР, СИСТЕМЫ СЪЁМА ИНФОРМАЦИИ, “БЕЛЫЙ ШУМ”.

В курсовой работе произведен расчет генератора шума. В соответствии с исходными данными выбрана структурная схема генератора, разработана принципиальная схема устройства, произведен расчет параметров элементной базы генератора шума. Рассчитанный генератор удовлетворяет требованиям задания.

Содержание

Введение 5

1 Общие сведения о помехоустойчивости радиоприёма. 6

2. Прохождение шума через тракт приёмного устройства 8

2.1 Прохождение шума через высокочастотный тракт приемника 8

2.2 Прохождение шума через амплитудный линейный детектор 11

3 Выбор и обоснование структурной схемы 14

4 Выбор и обоснование принципиальной схемы 15

5 Расчётная часть 16

5.1 Расчёт перевичного источника шума и усилительных каскадов 16

5.2 Расчёт полосового фильтра 17

Заключение 19

Список литературы 20
Введение

Под "шумом" в узком смысле этого слова часто понимают так называемый белый шум, характеризующийся тем, что его амплитудный спектр распределен по нормальному закону, а спектральная плотность мощности постоянна для всех частот.

В более широком смысле под шумом, по ассоциации с акустикой понимают помехи, представляющие собой смесь случайных и кратковременных периодических процессов. Кроме белого шума выделяют такие разновидности шума, как фликкер-шум и импульсный шум.

В генераторах шума используется белый шум, так как даже современными способами обработки сигналов этот шум плохо отфильтровывается.

В данной работе был разработан генератор шума предназначенный для блокирования систем съёма информации, работающих в радио диапазоне от 130 до 170 МГц.

1 Общие сведения о помехоустойчивости радиоприёма.

Основное назначение любого радиоприёмного устройства состоит в извлечении информации, содержащейся в принимаемом сигнале. Особенностью условий работы любого радиоприёмного устройства является то, что приём полезных сигналов неизбежно сопровождается действием внутренних и внешних помех. Внутренние, а также большинство внешних помех представляют собой случайные (т.е. заранее не предсказуемые) процессы. Поэтому абсолютно не искажённое воспроизведение информации, содержащейся в сигнале, принимаемом на фоне таких помех, оказывается принципиально не возможным.

В данной работе разработан генератор шума поэтому внутренние шумы радиоприёмных устройств здесь не рассматриваются.

Из общего перечня помех можно выделить две обширные категории помех – шумовые (гладкие) и импульсные.

К шумовым помехам относятся:

1). Помехи, возникающие при электризации антенны.

2). Помехи, обусловленные тепловым движением зарядов в космическом пространстве, атмосфере Земли и на её поверхности.

3). Помехи, возникающие при работе люминесцентных ламп и т.п.

4). Организованные шумовые помехи, создаваемые средствами радиопротиводействия. Организованные помехи такого вида иногда называют универсальной в том смысле, что из числа других возможных помех она оказывается практически одинаково эффективной по отношению к приёмникам различного назначения.

Общим свойством рассматриваемых шумовых помех является их широкоспектральность. Этот термин указывает на то, что ширина энергетического спектра помехи существенно превосходит полосу пропускания приёмника.

Ширкоспектральность шумовой помехи позволяет считать, что её спектральная плотность S_Э.ВХ в пределах частотной характеристики приёмника является постоянной величиной. Помехи такого вида принято сводить к единому эквиваленту – белому шуму, спектральная плотность которого принимается равной S_Э.ВХ и считается постоянной в бесконечных пределах. Таким образом, величина S_Э.ВХ может служить исчерпывающей характеристикой шумовой помехи.

2. Прохождение шума через тракт приёмного устройства

Расчет прохождения шума и сигнала черед тракт радиоприемного устройства необходим при проведении анализа его помехоустойчивости. Количественная оценка по­мехоустойчивости может быть определена минимальным сигналом, при котором обес­печивается требуемая точность воспроизве­дения принимаемой информации. Уровень помехи при этом считается заданным.

Анализ помехоустойчивости радиопри­емного устройства сводится к определению реакции исполнительного (оконечного) уст­ройства на случайный процесс, обусловлен­ный совместным действием сигнала и шума в тракте приемника. Конечной целью ана­лиза является установление количественных соотношений между допустимой точностью воспроизведения информации и коэффициентом помехозащищённости приёмника D, т. е. отношения уровней сигнала и шума на выходе ВЧ тракта приемника. После это­го принимают величину D соответствующей допустимой точности воспроизведения и определяют минимально допусти­мый сигнал, т. е. чувствительность прием­ника.

Исходным положением при анализе по­мехоустойчивости является сведение всех источников шума к единому эквивалентно­му генератору шума, согласованного со входом приемника. Сам приемник при этом считается нешумящим.

2.1 Прохождение шума через высокочастотный тракт приемника

Расчет действия одного шума (без сиг­нала) в тракте приемника представляет интерес, когда радиоприемное устройство находится в режиме ожидания сигнала. В это время в тракте приемника действует только шум, который может вызвать лож­ную регистрацию сигнала. При расчете про­хождения шума (а также шума и сигнала) через ВЧ тракт все его каскады предпола­гаются линейными, включая и преобразова­тель частоты, который рассматривается как идеальное устройство, без искажений пере­носящее спектр входного колебания из диа­пазона частот настройки приемника в поло­су пропускания УПЧ.

Выходное напряжение u(t) ВЧ тракта, на входе которого действует широкоспек­тральный шум, представляет собой колеба­тельный процесс, амплитуда U и фаза φ которого медленно и случайным образом изменяются во времени:

u(t) = U (t) cos [ω₀ t – φ (t)]. (2.1)

Частота ω₀ колебаний равна централь­ной частоте настройки ВЧ тракта. Такой процесс называется квазигармоническим. Примерный вид его реализации показан на рис. 1.

u(t)

t

Случайная ф-ция времени U(t) носит название огибающей квазигармониче­ского процесса. Физическое объяснение многих особенностей квазигармонического колебания удобнее провести, если восполь­зоваться известной ф-лой «косинус разнос­ти» и представить (2.1) в виде

, (2.2)

где

Можно показать, что случайные функции U_C(t) и U_S(t) независимы, подчиняются нормальному закону распределения, центри­рованы около нуля и имеют одинаковую дисперсию D_U=U²_Ш , гдеU_Ш—эффективное значение квазигармонического напряжения. Таким образом, квазигармоническое коле­бание u(t) в записи (2.2) определяетсякак сумма двух квазигармонических колебаний u_C(t) и u_S(t). Примерный вид их реализации представлен на рис. 2.

Рис. 2. Форма ортогональных составляющих квазигармонического процесса

Наибольший практический интерес представляет случай, когда на входе ВЧ тракта одновременно с широкополосным шумом действует гармонический сигнал U_c(t) =U_m cosw₀, частота которого совпа­дает с центральной частотой w₀ ВЧ тракта. Поскольку этот тракт рассматривается как линейная система, то результирующее коле­бание на его выходе представляет собой сумму квазигармоннческого шума u(t) (1.1) и сигнала U_c(t):

u_p(t) = U(t)cos[w₀t -j(t)]+ U_m cosw₀, (2.3)

и само является квазигармоническим коле­банием вида

u_р(t)=V(t)соs[w₀t - Ф(t)]

В соответствии с (1.1) и (1.3) оги­бающую V(t) можно представить вектором V (рис. 3),

Рис. 3. Векторная диаграмма для огибающей аддитивной смеси квазигармонического шума и сигнала

длина которого равна

Вероятностный расчёт прохождения шума через ВЧ каскад радиоприёмного устройства изложен в [1].

2.2 Прохождение шума через амплитудный линейный детектор

Схема детектора показана на рис. 4. Предполагается, что нагрузка детектора безынерционна по отношению к огибающей.

Рис. 4. Детектор кваэигармонических колеба­ний.

Разделительная цепь R_pC_p задерживает только постоянную составляющую, пропуская флуктуацииe(t) без потерь.

При действии на входе линейного де­тектора квазигармонического колебания с огибающей U(t) на резисторе R нагрузки образуется случайное напряжение x(t):

x(t) =K_ДU(t) (2.4)

где К_Д — коэффициент передачи детектора.

Плотность вероятности напряжения Е, так же как и для огибающей, подчиняется закону Релея:

. (2.5)

Постоянная составляющаяx₌ случайного напряжения x(t) на нагрузке детекто­ра, его эффективное значение x_эфф и эффек­тивное значение флуктуации e_эфф на выходе разделительной цепи определяются сле­дующими ф-ла.ми:

(2.6)

(2.7)

(2.8)

Линейность зависимости U_ш отx₌(2.6) лежит в основе удобного способа определения эффективного напряжения ü„i квазигармонического шума. Измерив посто­янную составляющую тока в резистореR нагрузки детектора с помощью обычного магнитоэлектрического прибора, вычисляют U_Ш так:

U_Ш=I₌(R/1,25K_Д).

Плотность вероятности флуктуации s(l) определяется формулой

(2.9)

На рис. 5. показаны графики р(e) для нескольких значений К_ДU_Ш.

Рис. 5. График плотности вероятности флук­туации выходного напряжения линейного детек­тора.

Исходная ф-ла для расчета энергети­ческого спектра флуктуации e(t) имеет вил:

(2.10)

На рис. 6. показан характер изменения энергетического спект­ра флуктуацииe(t) при изменении шумо­вой полосы ВЧ тракта.

Рис. 6. Изменение формы энергетического спектра флуктуации выходного напряжения ли­нейного детектора при вариации полосы пропус­кания ВЧ тракта.

Полностью прохождение шумового сигнала через тракт приёмника изложено в [1] и включает в себя прохождение шума совместно с гармоническим и модулированным сигналом, а также рассматривается влияние шума на низкочастотный тракт радиоприёмного устройства.

3 Выбор и обоснование структурной схемы

В соответствии с заданием в данной работе необходимо разработать генератор шума для постановки радиопомех системам съёма информации работающих в диапазоне 130-170 Мгц.

Основным элементом генератора шума является первичный источник случайного сигнала в виде источника широкополосного шума или в виде источника случайных по моментам появления импульсов. В качестве источников шумов используются: шумовые полупроводниковые приборы и вакуумные приборы или генераторы псевдослучайных последовательностей.

Величина шума в первичных источниках недостаточна для противодействия системам съёма информации, которые могут излучать сигнал мощьностью от 0,2 до 500 мВт.

Для увеличения уровня шума, шум с выхода первичного источника случайного сигнала поступает на усилитель, который усиливает его до необходимой величины.

Первичный источник шума работает в очень широком диапазоне. Поэтому для обеспечения противодействия только в заданной полосе частот в схеме применён полосовой фильтр, который обеспечивает подавление шума во всём диапазоне кроме заданного.

Полная структурная схема устройства приведена на чертеже 5093.033000.000Э1.

4 Выбор и обоснование принципиальной схемы

При выборе принципиальной схемы устройства в данной работе было принято во внимание то, что шум получаемый от источников так называемого “физического шума” труднее отфильтровывается и легче реализуется на высоких частотах по сравнению с импульсным. Поэтому в качестве первичного источника шума был выбран стабилитрон, который обеспечивает шумовой сигнал близкий по характеристикам к “белому шуму”.

При подключении стабилитрона была использована схема с предварительным усилением с использованием транзистора подключённого по схеме с общим эмиттером. Такая схема подключения позволяет получить, после предварительного усиления , сигнал на выходе с амплитудой порядка 0,7 В.

Затем через разделительный конденсатор сигнал подаётся на второй усилительный каскад, собранный по схеме с общим эмиттером, который усиливает его до мощности порядка 0,5 Вт.

После усиления сигнал поступает на полосовой фильтр. Для фильтрации сигнала использован специальный фильтр сосредоточённой избирательности (ФСИ), представляющий собой многозвенный LC – фильтр. Данные фильтры позволяют обеспечить очень высокую избирательность.

Принципиальная схема приведена на чертеже 5093.033001.000Э3.

5 Расчётная часть

5.1 Расчёт источника первичного источника шума и усилительных каскадов

Принципиальная схема является стандартной. Все элементы были опробаваны на практике в реальном генераторе шума.

В качестве источника первичного шума выбран стабилитрон общего назначения Д814, который обеспечивает шумовой сигнал на высоких частотах (на принципиальной схеме обозначен VD1).

Резистор R1 стандартного типа МЛТ, сопротивлением 68 кОм, номинальной рассеиваемой мощностью 0,5 Вт, с допуском 5 %.

В качестве усилительного элемента VT1 в каскаде предварительного усиления выбран транзистор КТ315.

Резистор R2 стандартного типа МЛТ, сопротивлением 300 Ом, номинальной рассеиваемой мощностью 0,5 Вт, с допуском 5 %.

Разделительный конденсатор С1 выбран типа К10-7А ёмкостью 0,1 мкФ с допуском 10 %.

В качестве усилительного элемента VT2 во втором усилительном каскаде выбран транзистор КТ608.

Резистор R3 стандартного типа МЛТ, сопротивлением 120 кОм, номинальной рассеиваемой мощностью 1 Вт, с допуском 5 %.

Резистор R4 стандартного типа МЛТ, сопротивлением 10 кОм, номинальной рассеиваемой мощностью 1 Вт, с допуском 5 %.

Данная схема обеспечивает выходной сигнал мощностью около 0,5 Вт.

5.2 Расчёт полосового фильтра

В данной курсовой расчитан фильтр с средней частотой пропускания 150 МГц, полосой пропускания 40 МГц, подавлением на частоте 125 МГц - 50 дБ.

Использовать катушки индуктивности с затуханием 0,01.

Расчёт обобщённого затухания

(5.1)

где d – затухание контурных катушек, - средняя частота пропускания, - полоса пропускания фильтра.

Расчёт обобщённой расстройки ( для частоты подавления )

(5.2)

Определение избирательности одного звена производится по графику приведённому в [1], для расчитанных d и a. В данном случае S₁ =11 дБ.

Определение необходимого числа звеньев фильтра

n =S_C (дБ)/S₁ (дБ) = 50/11 = 4,5 (5.3)

Следовательно для выполнения задания необходим пятизвенный ФСИ.

Резистор R5 стандартного типа С2-29В, сопротивлением 1 кОм, номинальной рассеиваемой мощностью 0,5 Вт, с допуском 0,05 %.

Расчёт конденсаторов связи и контуров схемы ( С - емкость, пФ; - частота, кГц; R – сопротивление, кОм.):

1,06 пФ; (5.4)

=7 пФ; (5.5)

=3,5 пФ. (5.6)

Разделительные конденсаторы принимаем равными 0,05 мкФ.

Индуктивности контуров(L- индуктивность, мкГ; - частота, кГц; R – сопротивление, кОм.)

=0,14 мкГ; (5.7)

=0,28 мкГ (5.8)

Заключение

В данной работе спроектирован генратор шума для противодействия системам съёма информации в диапазоне 130 – 170 МГц. Расчитан первичный источник случайной информации, усилитель и полосовой фильтр. Рассмотрены некоторые вопросы прохождения шума через каскады радиоприёмного устройства.

Список литературы

1 Справочник по радиоэлектронным устройствам: в 2-х томах. Т.1 / Бурин Л. И., Васильев В.П., Каганов В.И. и др.; Под ред. Д. П. Линде. - М: Энергия, 1978. – 440 с., ил.

2 Андpианов В.И. Боpодин В.А. Соколов А.В."Шпионские штучки" и устpойства для защиты объектов и инфоpмации. Спpавочное пособие.-Лань,СПБ.,1996

3 Резисторы: Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.; Под общ. ред. И.И. Четвертакова и В.М. Терехова.-М.: Радио и связь, 1987. – 352 с.; ил.