4-7. ГЕНЕРАТОРЫ ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ

Шумовым сигналом называется совокупность одновременно существующих электрических колебаний, частбты и амплитуды которых носят случайный характер. Типичным примером шумового сигнала являются электрические флуктуации. Генераторы шума вырабатывают шумовые измерительные радиотехнические сигналы с нормированными статистическими характеристиками.

Генераторы шума применяются в качестве источников флуктуационных помех при исследовании предельной чувствительности радиоприемных и усилительных устройств, в качестве калиброванных источников мощности при измерении напряженности поля или шумов внеземного происхождения, в качестве имитаторов полного сигнала многоканальной аппаратуры связи, для измерения нелинейных искажений и частотных характеристик радиоустройств с- помощью анализатора спектра с постоянной полосой пропускания.

Рис. 4-19. Упрощенная структурная схема генератора шумовых сигналов

Основным требованием к генераторам шума является равномерность спектрального состава шумового сигнала в возможно большей полосе частот, от до («белый» шум), а практически — от единиц герц до десятков гигагерц. Такой измерительный сигнал позволяет исследовать устройство или систему одновременно во всем диапазоне рабочих частот. В реальных генераторах «белый» шум получить невозможно, по для любого устройства, полоса пропускания которого во много раз меньше спектра шумового сигнала, последний можно считать «белым».

По диапазону генерируемых частот генераторы шума делятся на низкочастотные (20 Гц — 20 кГц и 15 Гц — 6,5 МГц); высокочастотные сверхвысокочастотные (500 МГц - 12 ГГц).

Обобщенная структурная схема генератора шума (рис. 4-19) состоит из источника шума ИШ, широкополосного усилителя и аттенюатора Измеритель выхода ИВ позволяет контролировать уровень выходного сигнала в единицах напряжения (иа низких частотах) или в единицах спектральной плотности мощности шума. К источнику шума предъявляются следующие требования: равномерность спектральной плотности мощности в заданной полосе частот; достаточное выходное напряжение (мощность) шумового сигнала; неизменность и воспроизводимость характеристик шума во времени и при изменении внешних влияний; заменяемость после истечения гарантийного срока работы без нарушения выходных параметров генератора. Наибольшее распространение в качестве источников шума получили резисторы, вакуумные

и полупроводниковые дноды, фотоэлектронные умножители и газоразрядные лампы.

Шум, возникающий в резисторе, обусловлен хаотическим тепловым движением электронов, которое прекращается только при абсолютном нуле. Среднеквадратическое значение напряжения шумового сигнала резистора Определяется еледующей формулой:

где постоянная Больцмана; температура, сопротивление резистора, Ом, при нормальной температуре эквивалентная полоса пропускания, в которой определяется напряжение, Гц.

Если нагрузить шумящий резистор другим, равным ему по сопротивлению, то на втором резисторе выделится мощность

Отсюда можно определить спектральную плотность мощности шума

Спектральная плотность мощности шума резистора при нормальной температуре равна Произведение удобно использовать в качестве единицы спектральной плотности мощности. Например, означает, что температура шумящего резистора в пять раз выше нормальной и спектральная плотность равна

Из выражения можно найти сопротивление резистора: отсюда следует, что активные элементы, в которых возникают шумы, можно замещать эквивалентным шумящим резистором, шумовое сопротивление которого при нормальной температуре равно:

Вакуумный диод, работающий в режиме насыщения, является источником шума вследствие случайного характера процесса термоэлектронной эмиссии. Среднеквадратическое значение шумового тока диода определяется известным выражением где заряд электрона ток насыщения, полоса пропускания устройства, на вход которого поступает ток насыщения диода, Гц. Вакуумные диоды, например типа генерируют шум в диапазоне частот Напряжение и уровень спектральной плотности мощности на выходе генератора регулируется изменением тока накала диода.

В качестве источника шума широко используются полупроводниковые диоды; низкочастотные и высокочастотные, работающие в диапазоне 20 Гц — 20 кГц и 60-80 МГц соответственно. Последние часто используются и в низкочастотных генераторах шума (путем гетеродинного переноса частот).

Газоразрядные трубки являются источниками шума в диапазоне сверхвысоких частот — от до Шум обусловлен беспорядочным движением электронов в ионизированном газе (плазме). Под влиянием приложенного электрического поля они движутся с высокой скоростью, поэтому мощность шума достигает относительно больших значений. Спектральная плотность мощности равна где — «электронная температура», зависящая от состава газа и его давления. Значение достигает нескольких десятков тысяч кельвинов.

Рассмотрим особенности построения генераторов шумовых сигналов в зависимости от диапазона частот.

Низкочастотный генератор шума строится по схеме прямого усиления шумовых сигналов, получаемых от полупроводникового диода в диапазоне Усиление сигнала осуществляется транзисторным усилителями, между которыми сключепы полосовые фильтры, формирующие поддиапазоны частот 250—3500 Гц и 40—12 000 Гц. Выходной усилитель мощности с переключаемой обратной связью обеспечивает выход сигнала на нагрузки 6, 60 и 600 Ом. Предусмотрен ступенчатый аттенюатор до и вольтметр, шкала которого проградуирована в среднеквадратических значениях напряжения. Неравномерность спектра «белого» шума не более

Низкочастотный генератор шума работающий в диапазоне видеочастот (15 Гц — 6,5 МГц), строится на принципе переноса спектра источника шума из области высоких частот в рабочий диапазон методом гетеродииироваиия. Источник шума — полупроводниковый диод вырабатывает шум в диапазоне частот до

Рис. 4-20. Генератор шумовых сигналов на вакуумном диоде: а — схема; конструкция

Полосовой усилитель с полосой соединен со смесителем, на второй вход которого подано напряжение гетеродина, работающего на частоте . В результате на выходе смесителя получаются два сигнала разностных частот, лежащих выше и ниже частоты гетеродина. Частотный диапазон каждого из них Оба сигнала суммируются и поступают на фильтры нижних частот, формирующие рабочие полосы поддиапазонов или Низкочастотные составляющие Гц подавляются в последующем видеоусилителе, с выхода которого сигнал поступает на ступенчатый аттенюатор и вольтметр. Выходное сопротивление 50 и 600 Ом. Выходное напряжение регулируется в пределах плавно и ступенями через при внешней нагрузке не менее

Высокочастотный генератор шума работает на насыщенном вакуумном диоде типа (рис. 4-20), заключенном в коаксиальную конструкцию, оканчивающуюся разъемом для соединения с нагрузкой. Этот генераторный блок соединен экранированными проводами с блоком питания и управления, в котором размещены стабилизированные источники питания цепи накала и цепи анода диода модулирующий генератор и миллиамперметр, шкала которого градуируется в единицах

Мощность шума диода где сопротивление резистора нагрузки диода, тепловым шумом которого можно пренебречь. Отсюда следует, что спектральная плотность мощности прямо пропорциональна току эмиссии диода:

Пределы регулирования реостатом накала диода выходной спектральной плотности мощности При необходимости уменьшения спектральной плотности между выходом генератора и входом исследуемого устройства включают аттенюаторы коаксиальной конструкции с одним значением ослабления. Выходное сопротивление генератора определяется диаметрами коаксиального разъема и в большинстве случаев равно 75 Ом.

Сверхвысокочастотные генераторы шумовых сигналов работают на газоразрядных трубках. Для частот от до это генераторы коаксиальной конструкции и с коаксиальными выходными разъемами, для частот выше волноводной конструкции. Генератор коаксиальной конструкции (рис. 4-21, а) представляет собой цилиндрическую металлическую камеру, в центре которой помещается газоразрядная трубка. Вокруг трубки располагается металлическая спираль, охватывающая столб плазмы и являющаяся элементом связи горящей трубки с коаксиальной линией.

Рис. 4-21. Генератор шумовых сигналов на газоразрядных трубках 1 — согласующий резистор; 2 — спираль связи; 3 — газоразрядная трубка; 4 — согласующая нагрузка; 5 — предельный волновод

Один конец спирали соединен с поглощающим (согласующим) резистором, второй — с выходным разъемом. Выходное сопротивление генератора определяется волновым сопротивлением коаксиальной линии, т. е. диаметром и шагом спирали, и составляет 50 или 75 Ом. Перекрытие по частоте ие превышает 4; спектральная плотность мощности шума не регулируется и указывается в паспорте генератора в пределах от 20 до Имеются генераторы со вторым выходом через направленный ответвитель; здесь спектральная плотность составляет

Генератор шума волноводной конструкции представляет собой отрезок прямоугольного волновода (рис. 4-21, б) с газоразрядной трубкой, пересекающей его широкую стенку под углом Такое расположение обеспечивает согласование горящей трубки с волноводом. Один конец отрезка волновода оканчивается стандартным фланцем для подключения внешней согласованной нагрузки, а в другом помещена клиновидная внутренняя согласующая нагрузка. Спектральная плотность мощности шума составляет Имеются генераторы со вторым выходом через направленный ответвитель; в этом случае спектральная плотность мощности равна Перекрытие по частоте не более 1,5. Анодный и катодный концы трубки выступают за пределы волновода и могут излучать шумовую мощность и создавать помехи. Для уменьшения этих помех концы трубки экранируются предельными волноводами,

В качестве образцовых генераторов шума в диапазоне СВЧ применяют тепловые генераторы, работающие при высокой или низкой

температуре. Источник шума представляет собой стержневой или клиновидный резистор, помещенный в коаксиальную или волноводиую линию, нагреваемый до 460 °С (733 К). При такой температуре спектральная плотность мощности составляет Для обеспечения постоянства температуры резистора применяется термостат с автоматическим управлением. В низкотемпературном генераторе резистор погружается в жидкий азот или гелий; спектральная плотность мощности азотного генератора гелиевого