Измерительные генераторы шумовых сигналов

Шумовым сигналом называется совокупность одновременно существующих электрических колебаний, частоты и амплитуды которых носят случайный характер. Типичным примером шумового сигнала являются электрические флуктуации. В изменении мгновенных значений этих флуктуационных напряжений, как правило, невозможно проследить какую-либо закономерность, но в то же время такие сигналы обладают определенными вероятностными характеристиками.

(закон распределения мгновенных значений, среднеквадратическое значение напряжений и др.).

ИГ шумовых сигналов (ИГШС) вырабатывают флуктуационные напряжения с определенными (заданными) вероятностными характеристиками.

ИГШС применяют при оценке качества функционирования, технического состояния и для измерения параметров различных объектов. При этом ИГШС могут использоваться:

• — в качестве источников флуктуационных помех при исследовании предельной чувствительности радиоприемных и усилительных устройств;
• — в качестве имитаторов полного сигнала многоканальной аппаратуры связи;
• — для измерения коэффициента шума и исследования помехоустойчивости различных радиоэлектронных систем и их узлов.

К ИГШС предъявляют следующие требования:

• — равномерность спектральной плотности мощности в заданной полосе частот;
• — малая нестабильность выходного напряжения (мощности) шума с течением времени, при изменении внешних условий и различных влияющих величин;
• — широкие пределы регулировки выходного напряжения (мощности) шума.

Основным узлом схемы ИГШС является задающий генератор (рис. 3.6). Его сигналы должны иметь равномерную спектральную плотность мощности по всей требуемой полосе (теоретически — это белый шум). В задающем генераторе используются физические явления, при которых возникают достаточно интенсивные шумы со статическими характеристиками и параметрами, поддающимися достаточно несложному математическому анализу.

В качестве образцового источника шума может служить нагретый проволочный резистор, действующее значение напряжения на котором рассчитывается по известной формуле:

где к — постоянная Больцмана, к = 1,38−10^-23 Дж/град;

Т — абсолютная температура резистора;

R — сопротивление резистора;

Д/— полоса пропускания.

Конструктивно резистор выполняется в виде вольфрамовой спирали, намотанной на керамический каркас, температура которой поддерживается постоянной.

Рис. 3.6. Структурная схема ИГШС.

К источникам тепловой шумовой мощности относится и болометрический генератор. Болометр представляет собой вакуумный стеклянный баллон, внутри которого натянута вольфрамовая нить. Источники теплового шума используются в качестве образцовых генераторов шумовых напряжений, так как расчетные данные хорошо совпадают с практическими результатами. В шумовых генераторах применяются также фотоэлектронные умножители, газоразрядные трубки, шумовые диоды и т. п.

В качестве источника шума могут использоваться генераторы псевдослучайных последовательностей. Псевдослучайные последовательности достаточно просто формируются с помощью цифровых логических схем и имеют характеристики, близкие к характеристикам случайных сигналов. Случайные псевдопоследовательности чисел с заданными свойствами можно реализовать также и программными средствами.

В качестве преобразователей спектра в ИГШС применяются усилители, фильтры, ограничители, генераторы перестраиваемой частоты — в зависимости от того, какое преобразование шума требуется.

Так, применив в качестве преобразователя фильтр с определенным коэффициентом передачи, можно получить из генератора белого шума генератор стационарного случайного процесса со спектральной плотностью мощности, изменяющейся по заданному закону в определенном диапазоне частот. Основным элементом выходного устройства генератора служит калиброванный аттенюатор, обеспечивающий одинаковый коэффициент деления мощности по всей полосе частот шума. Для контроля уровня выходного сигнала в схему генератора встраивается вольтметр действующего значения.

Низкочастотные И ГШС работают в диапазоне 20 Гц… 10 МГц и вырабатывают мощность до 5 Вт. Сверхвысокочастотные И ГШС имеют верхнюю частоту рабочего диапазона до 37 ГГц и выполняются однодиапазонными с малым перекрытием по частоте.