Генераторы шума. Цифровые генераторы шума

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Таганрогский  технологический институт

Южного федерального университета

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

Генераторы  шума

Цифровые генераторы шума

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка группы З-488

Колесникова А.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

1.  Введение
2. Теоретическая часть

a) Флуктуации 

b) Шумы: -защита от теплового шума

3. Генераторы шума:

a) Генератор акустического «белого» шума 

b)  Цифровой генератор шума 

4. Заключение
5. Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Все  окружающие  нас  тела  образованы  огромным  числом  молекул,  а  их  макросостояния могут  быть  описаны  несколькими  макроскопическими параметрами, которые  характеризуют свойства  системы в большом масштабе. В качестве примера можно привести  такие  параметры,  как  давление  и  температура.  Однако  какой  бы  природы  ни  был  тот  или  иной  макроскопический  параметр,  он  описывает  внутреннее  состояние  системы  с  точностью до флуктуаций.   Флуктуации  являются  причиной  многих  физических  явлений (броуновское движение,  тепловой  шум в проводниках)  и имеют принципиальное  значение  для установления  границ  применимости  термодинамических понятий и закономерностей,  а  также пределов  чувствительности  приборов.  В  физике  и  электротехнике  часто  сталкиваются с флуктуирующими сигналами, которые возникают в  электрических цепях, приборах, измерительных системах. Электрическими  флуктуациями,  или «шумами»  называются  случайные  изменения  потенциалов,  токов  и  зарядов  в  электрических цепях. Шумы  представляют  собой  важную  проблему  в  науке  и  технике,  поскольку  они  определяют  нижние  пределы  как  в  отношении  точности  измерений,  так  и  в  отношении   величиныэлектрических  сигналов,  которые  могут  быть  обработаны  тем  или  иным  прибором.  Для  того  чтобы  определять  эти  пределы,  необходимо  знать  интенсивность  источника  шума,  уметь  минимизировать  отношение  шума  к  сигналу  при  измерении и научиться измерять эти шумы.  

Известно, что в любых информационных системах на обработку поступают  процессы в виде либо аддитивной суммы  полезного сигнала и шума, либо только шума.

Поэтому при проведении тех или  иных видов цифрового моделирования обработки процессов в информационных системах с целью предварительного определения их качественных характеристик всегда необходимы устройства цифрового генерирования шумов с различными статистическими характеристиками.

Следует сказать, что основной моделью шума, используемой при анализе эффективности тех или иных информационных радиосистем, является модель случайного процесса в виде «белого» шума.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теоретическая часть

a) Флуктуации

 

Флуктуациями (от  лат. fluctuation – колебания)  называются  случайные отклонения физической величины от ее среднего значения.  Мерой флуктуации  физической  величины M  является  средняя величина  квадрата  разности  ∆M=(M-M)  ,которая называется  квадратичной флуктуацией:

∆M2=M-M2=M2-(M)2

Если  имеется  тело,  состоящее  из  N одинаковых  независимых  частей,  и  физическая   величина  M,  характеризующая  состояние  тела, то для тела как целого   M~Nи  ∆M2~N. Отсюда получим  выражение  для  относительной  флуктуации  макроскопической  величины:  

δM=∆M2M~1N

Так,  относительные  флуктуации  концентрации  частиц (или  плотности)  газа,  его  давления  и  температуры  тем  меньше,  чем большее число N молекул газа находится в сосуде .

δρ=∆ρ2ρ~1N ,   δp=∆p2P~1N , δT=∆T2T~1N .

При N ~ NA  – (число Авогадро), ρ δ , P δ   и T δ имеют величины  порядка 10-12. Таким образом, чем больше и сложнее тело (по числу частиц), тем меньше отклонение его термодинамических величин от  средних.

Именно поэтому макроскопические параметры с очень высокой  точностью  характеризуют  внутреннее  состояние  макроскопического  тела.  Однако  при  очень  точных  измерениях  в малых  системах  флуктуации  обнаруживают  себя  и  ограничивают  точность измерений.

 

b) Шумы

 

Ток, протекающий через сопротивление, лампу или транзистор,  испытывает небольшие колебания даже тогда, когда все источники ЭДС строго  постоянны.  В некоторых случаях это явление вызывается изменением проводимости между отдельными точками сопротивлений,  в основном  же  оно связано  со  статистическим  характером  движения  носителей  тока.  Колебания  тока  создают  на  зажимах  сопротивлений,  электродах  ламп  и  транзисторов  флуктуации  напряжения –  шумы.  К  таким  шумам  относятся  тепловой,  дробовой,  генерационно-рекомбинационный  и  фликкер- шум .

Для любой передачи данных справедливо  утверждение, что полученный сигнал состоит из переданного сигнала, модифицированного различными искажениями, которые вносятся самой системой передачи, а также из дополнительных нежелательных сигналов, взаимодействующих с исходной волной во время ее распространения от точки передачи к точке приема. Эти нежелательные сигналы принято называть шумом. Шум является основным фактором, ограничивающим производительность систем связи.

Шумы можно разделить на четыре категории:

   - тепловой шум;

   - интермодуляционные шумы;

   - перекрестные помехи;

   - импульсные помехи.

Рассмотрим основные виды шумов.“Джонсоновский шум”.Любой резистор на плате генерирует на своих выводах некоторое напряжение шума, известное как “шум Джонсона”(тепловой шум).У него горизонтальный частотный спектр, т. е. одинаковая мощность шума на всех частотах(до некоторого предела).Шум с горизонтальным спектром называют “белым шумом”.

Таким образом Uш.эфф. это то,что  получится на входе совершенно бесшумного фильтра с полосой пропускания B, если подать на его вход напряжение, порожденное резистором при температуре T

При комнатной температуре (293 К)  (ГцОм),  В/Гц=1,27В/Гц.

Шум Джонсона устанавливает нижнюю границу напряжения шумов любого детектора, источника сигнала или усилителя, имеющего резистивные элементы. Активная составляющая полного сопротивления источника порождает шум  Джонсона; так же действуют резисторы цепей смещения и нагрузки усилителя.

Тепловой шум — равновесный  шум, обусловленный тепловым движением носителей заряда в проводнике, в результате чего на концах проводника возникает флуктуирующая разность потенциалов.

Спектральная плотность теплового  шума не зависит от частоты, поэтому  его можно рассматривать в  широком диапазоне частот как белый шум.

 

 

 

 

 

Защита от Теплового  шума.

 

Активные технические средства защиты акустического и виброакустического канала. Для активной защиты речевой  информации от не обнаруженных закладных  устройств и съема по другим каналам  используется аппаратура активной защиты:

   - Технические средства пространственного  зашумления;

   - Устройства виброакустической  защиты;

   - Технические средства ультразвуковой  защиты.

Технические средства пространственного  и линейного зашумления.

По принципу действия все технические средства пространственного и линейного зашумления можно разделить на три большие группы:

средства создания акустических маскирующих  помех:

   - генераторы шума в акустическом  диапазоне;

   - устройства виброакустической  защиты;

   - технические средства ультразвуковой защиты помещений;

средства создания электромагнитных маскирующих помех:

   - технические средства пространственного  зашумления;

   - технические средства линейного  зашумления, которые в свою очередь  делятся на средства создания маскирующих помех в коммуникационных сетях и средства созданиямаскирующих помех в сетях электропитания;

   многофункциональные средства  защиты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Генераторы  шума.

Генератор акустического  «белого» шума 

 

Основной принцип радиоэлектронного противодействия - создание помех для приемного устройства с интенсивностью, достаточной для нарушения его работы.

Если заранее неизвестна его  рабочая частота, то необходимо создать  помеху по всему возможному или доступному диапазону спектра. Достаточно универсальной помехой для связных радиолиний считается шумовой сигнал. В связи с этим аппаратура радиопротиводействия должна включать в свой состав генератор шума достаточной мощности (на необходимый диапазон) и антенную систему. Практически при отношении верхней и нижней частоты диапазона более 2-х используют несколько шумовых генераторов и комбинированную многодиапазонную антенну.

Генераторы шума в речевом диапазоне  используются для защиты от несанкционированного съема акустической информации путем маскирования непосредственно полезного звукового сигнала. Маскирование проводится «белым» шумом с корректированной спектральной характеристикой.

Акустические  генераторы шума используются для зашумления акустического диапазона в помещениях и в линиях связи, а также для оценки акустических свойств помещений. 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 современны ми способами обработки сигналов этот шум плохо отфильтровывается.

Самым простым методом  получения белого шума является использование  шумящих электронных элементов (ламп, транзисторов, различных диодов) с усилением напряжения шума.

Принципиальная схема  несложного генератора шума приведена  на рис. 1.

 

Рис.1.Генератор шума

 

Главный недостаток применения источников шумов в акустическом диапазоне - это невозможность комфортного проведения переговоров. Практика показывает, что в помещении где «ревет» генератор шума невозможно находиться более 10...15 мин. Кроме того, собеседники автоматически начинают пытаться перекричать средство защиты, снижая эффективность его применения. Поэтому подобные системы применяются для дополнительной защиты дверных проемов, межрамного пространства окон, систем вентиляции и т. д.

Источником шума является полупроводниковый диод - стабилитрон VD1 типа КС168, работающий в режиме лавинного  пробоя при очень малом токе. Сила тока через стабилитрон VD1 составляет всего лишь около 100 мкА. Шум, как полезный сигнал, снимается с катода стабилитрона VD1 и через конденсатор С1 поступает на инвертирую щий вход операционного усилителя DA1 типа КР140УД1208. На не инвертирующий вход этого усилителя поступает напряжение смещения, равное половине напряжения питания с делителя напряжения выполненного на резисторах R2 и R3. Режим работы микросхемы определяется резистором R5, а коэффициент усиления - резистором R4. С нагрузки усилителя, переменного резистора R6 , усиленное напряжение шума поступает на усилитель мощности, выполненный на микросхеме DA2 типа К174ХА10. Работа этого усилителя подробно описана в главе 2. С выхода усилителя шумовой сигнал через конденсатор С4 поступает на малогабаритный широкополосный громкоговоритель В1. Уровень шума регулируется резистором R6.

Стабилитрон VD1 генерирует шум в широком диапазоне  частот от единиц герц до десятков мегагерц. Однако на практике он ограничен АЧХ  усилителя и громкоговорителя. Стабилитрон VD1 подбирается по максимальному уровню шума, так как стабилитроны представляют собой некалиброванный источник шума. Он может быть любым с напряжением стабилизации менее напряжения питания.

Микросхему DA1 можно заменить на КР1407УД2 или любой операционный усилитель с высокой граничной частотой коэффициента единичного усиления. Вместо усилителя на DA2 можно использовать любой УЗЧ.

Для получения  калиброванного по уровню шума генератора используют специальные шумящие  вакуумные диоды. Спектральная плотность мощности генерируемого шума пропорциональна анодному току диода. Широкое распространение получили шумовые диоды двух типов 2ДЗБ и 2Д2С. Первый генерирует шума полосе до 30 МГц, а второй - до 600 МГц. Принципиальная схема генератора шума на шумящих вакуумных диодах приведена на рис. 2.