Генератор шума

ГЕНЕРАТОР ШУМА

 

1. вопрос. ГЕНЕРАТОР ШУМА - генератор случайных непериодических сигналов для имитации реальных шумовых процессов. Генератор шума применяют:

1) в радиоэлектронике для определения шума коэффициента и предельной чувствительности радиоприёмных устройств, помехоустойчивости систем автоматического регулирования и систем телеуправления, предельной дальности радиолокационных и радионавигационных систем;

2) в акустике для маскировки  звуков при определении артикуляции,  измерении времени реверберации помещений, коэффиента звукопоглощения различных материалов;

3) в измерительной технике в  качестве калиброванных источников  мощности при измерении параметров  случайных процессов (атмосферных  помех, шумов внеземного происхождения  и др.).

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 отфильтровывает ся. Ниже приводятся несколько схем различных генераторов шума.

Генератор белого шума

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. 3.29.

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 инвертирующий 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. 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. 3.30.

Резистор R1 типа МЛТ-0,25. Резистор R2 проволочный, он используется совместно с диодом 2ДЗБ. Питание генератора осуществляется от специального блока, схема которого приведена на рис. 3.31.

Цифровой генератор  шума

Цифровой шум представляет собой  временной случайный процесс, близкий  по своим свойствам к процессу физических шумов и называется поэтому псевдослучайным процессом. Цифровая последовательность двоичных символов в цифровых генераторах шума называется псевдослучайной последовательностью, представляющей собой последовательность прямоугольных импульсов псевдослучайной длительности с псевдослучайными интервалами между ними. Период повторения всей последовательности значительно превышает наибольший интервал между импульсами. Наиболее часто применяются последовательности максимальной длины - М-последовательности, которые формируются при помощи регистров сдвига и сумматоров по модулю 2, использующихся для получения сигнала обратной связи.

Принципиальная схема генератора шума с равномерной спектральной плотностью в рабочем диапазоне  частот приведена на рис. 3.32.

Этот генератор шума содержит последовательный восьмиразрядный регистр сдвига, выполненный на микросхеме К561ИР2, сумматор по модулю 2 (DD2.1), тактовый генератор (DD2.3, DD2.4) и цепь запуска (DD2.2), выполненные на микросхеме К561ЛП2.

Тактовый генератор выполнен на элементах DD2.3 и DD2.4 по схеме мультивибратора. С выхода генератора последовательность прямоугольных импульсов с частотой следования около 100 кГц поступает на входы "С" регистров сдвига DD1.1 и DD1.2, образующих 8-разpядный pегистp сдвига. Запись информации в pегистp происходит по входам "D". На вход "D" pегистpа DD1.1 сигнал поступает с элемента обратной связи сумматора по модулю 2 - DD2.1. При включении питания возможно состояние регистров, когда на всех выходах присутствуют низкие уровни. Так как в регистрах М-последовательности запрещено появление нулевой комбинации, то в схему введена цепь запуска генератора, выполненная на элементе DD2.2. При включении питания последний формирует на своем выходе уровень логической единицы, который выводит регистр из нулевого состояния. На дальнейшую работу генератора цепь запуска не оказывает никакого влияния. Сформированный псевдослучайный сигнал снимается с 8-го разряда регистра сдвига и поступает для дальнейшего усиления и излучения. Напряжение источника питания может быть от 3 до 15 В.

В устройстве использованы КМОП микросхемы серии 561, их можно заменить на микротомы  серий К564, К1561 или К176. В последнем  случае напряжение питания должно быть 9 В.

Правильно собранный генератор  в налаживании не нуждается. Изменением тактовой частоты можно регулировать диапазон частот шума и интервал между спектральными составляющими для заданной неравномерности спектра.

 

ШУМ В АМ СВЯЗИ (КОММУНИКАЦИЯХ)

Любое исследование связи и телекоммуникаций неизбежно  должна включать рассмотрение шума. Исследование шума важно, потому что он мешает правильному воспроизведению сообщение получателя. Для аналоговых сообщений, таких как речь и музыка, шум, как правило, слышится как шипение и треск, которые накладываются на восстановленные сообщения.

Как вы уже знаете, есть несколько методов демодуляции АМ сигналов. Два из них были продемонстрированы ранее в других экспериментах Emonа DATEX: детектор огибающей и детектор произведения (или, более правильно – демодулятор произведения). В завершение этих экспериментов было видно, что детектор произведения имеет ряд преимуществ по сравнению с детектором огибающей, но его более трудно реализовать на практике. В этом эксперименте будут  рассмотрены эти схемы демодуляции при работе с помехами из-за белого шума.

Чтобы сравнить между собой схемы, воздействие шума должно быть объективно оценено количественно. Широко используемым методом для этого является отношение сигнал-шум (SNR). Как следует из названия, SNR это отношение напряжения сигнала (или мощности сигнала) к напряжению шума (или мощности шума).Уравнение для расчета SNR:

,

где: S = напряжение или мощность сигнала, а N = напряжение или мощность шума

Чем больше отношение  сигнала к шуму (что является желательным), тем больше SNR. Тем не менее, при работе с сигналами предпочтительнее работать с децибелами:

Для выполнения этих расчетов, должны быть измерены напряжения сигнала (или мощность) и напряжение шума (или мощность шума). В большинстве  лабораторных экспериментов, шум контролируется и может быть удален из сигнала. Это  делает отдельные измерения сигнала и шума сравнительно простым делом. Тем не менее, некоторых случаях, сигнал не может быть детектирован отдельно от шума, поэтому следует применять следующие расчеты:

Очевидно, что  два SNR уравнения дают разные цифры. Тем не менее, для простого количественного сравнения между двумя схемами, эта разница не имеет значения. Более того, чем больше SNR системы, тем меньше разница между значениями в любом случае.

Важно отметить, что спектральный состав шума обычно влияет на амплитудное и пиковое значения напряжения, которые меняются случайным образом и поэтому трудно получить их точные измерения. И, если для тестового сигнала используется не синусоида, амплитудное и пиковое значения напряжения сигнала сообщения может также изменяться. Такой случай лучше для измерения RMS значения напряжения сигнала и шума для расчета SNR.

 

ЭКСПЕРИМЕНТ

Для этого эксперимента вы будете использовать Emona DATEX для настройки модулятора AM. После этого вы настроите детектор огибающей, через который пропустите  зашумленный AM сигнал и сделаете  SNR измерения для трех уровней шума канала. Далее, вы настроите детектор произведения, через который также пропустите зашумленный AM сигнал и сделаете SNR измерения для этих же трех уровней шума канала. Наконец, вы сравните SNR характеристики для двух демодуляторов.

Оборудование

• Персональный компьютер с соответствующим установленным программным  обеспечением
• NI ELVIS II плюс соединительные проводники
• Модуль расширения Emona DATEx для выполнения экспериментов
• Два проводника с разъѐмами типа BNC и типа "банан" (2 мм)
• Набор соединительных проводников с разъѐмами типа "банан" (2 мм)

 

Порядок выполнения

Часть A – Настройка АМ модулятора

Для исследования шума в  АМ коммуникациях требуется для  начала сгенерировать АМ сигнал.

1.    Убедитесь, что  питание NI ELVIS выключено, выключатель  расположен на задней стенке  устройства.

2.    Осторожно вставьте  модуль расширения Emona DATEx в сокет  NI ELVIS.

3.    Установите переключатель  Control Mode (режим управления) на модуле DATEx (в верхнем правом углу) в положение PC CONTROL (Управление от компьютера).

Примечание: все  эти действия могли быть выполнены  ранее.

6.    Включите  питание NI ELVIS, затем включите  питание макетной платы, выключатель  расположен на передней панели  устройства.

7.    Включите  компьютер и дайте ему загрузиться. 

9.    Запустите  программу NI ELVIS по указанию преподавателя. 

Примечание: Если программа NI ELVIS запустилась успешно, появится окно “ELVIS – Instrument Launcher” – окно запуска измерительных приборов.

10. Запустите  программу (VI) Variable Power Supplies (Регулируемый  источник питания). 

11. Установите  виртуальный элемент управления Voltage (Напряжение) регулируемого источника отрицательного напряжения питания в среднее положение (примерно -6V).

12. Запустите  программу (VI) виртуального мультиметра  DMM NI ELVIS. 

13. Установите  режим измерения DC мультиметра  DMM (измерение напряжения постоянного тока). 

14. Установите  элементы управления g и G модуля Adder (Сумматор) против часовой стрелки до упора. 

15. Соберите  схему, показанную на рисунке  1. 

Примечание: Вставьте черный штекер кабеля осциллографа в  гнездо GND (заземление).

16. С помощью  виртуального элемента управления g  модуля Adder (Сумматор) установите  напряжение на выходе сумматора  равным 1V постоянного тока (DC). 

17.  Закройте  окно DMM виртуального мультиметра  – оно вам больше не понадобится  (по крайней мере до тех пор, пока вы нечаянно не измените положение элемента управления g модуля Adder).

18. Запустите  программу (VI) виртуального осциллографа NI ELVIS. 

19.  Настройте  осциллограф в соответствии с  инструкцией к эксперименту 1, но  со следующими изменениями: 

• элемент управления Trigger Source  (Источник сигнала запуска) установите в положение Immediate (Непрерывно) вместо CH A
• элемент управления Channel A Coupling  (связь канала А с источником сигнала) в положение DC (постоянный ток) вместо AC (переменный ток)
• элемент управления Channel A Scale  (масштаб по каналу А) в положение 500mV/div вместо 1V/div
• элемент управления Timebase  (масштаб по оси времени) осциллографа в положение 100µs/div (100 мс/деление).

 

20. Поверните  виртуальный элемент управления G на программной панели модуля Adder по часовой стрелке так, чтобы пиковая амплитуда осциллограммы выходного синусоидального сигнала этого модуля была равна 1Vp-p.

21. Измените  настройки осциллографа следующим  образом:

• Trigger Type в положение Edge
• Trigger Source в положение CH A
• Trigger Level в положение 1V, вместо 0V

 

Собранной схеме  соответствует блок-схема, изображенная на рисунке 2. В данной схеме генерируется несущая синусоида 100 кГц, которая  модулируется (m=0.5 или 50%) сигналом сообщения – синусоидой 2 кГц.

22. Активируете  канал В осциллографа, чтобы видеть  сразу два сигнала: сигнал сообщения  и АМ сигнал.

 

Часть В – Настройка канала шума и  детектора огибающей

Следующая часть  эксперимента предполагает создание детектора  огибающей и подключение его  к АМ модулятору через канал с ограниченной пропускной способностью. Шум не добавляется на этом этапе, но он легко может быть добавлен позже.

22. Измените  схему, как показано на рисунке  3.

Схема, изображенная на рисунке 3, может быть представлена блок-схемой на рисунке 4. Adder (Сумматор) и Модуль Канала Связи (CHANNEL BPF (КАНАЛ ТИПА“ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР”) предназначен для моделирования беспроводного канала связи, например, спутниковой связи, радиовещания или телевидения.) используются для моделирования каналов с ограниченной пропускной способностью, которые также могут быть зашумлены. Диод и RC ФНЧ из модуля Утилиты реализуют детектор огибающей, в то время как дополнительный RC ФНЧ используется для фильтрации любых оставшихся частот.

23. Установите  элемент управления осциллографа Coupling в положение AC.

24. Сравните  сигнал сообщения с демодулированным  сигналом.

Примечание: Два  сигнала должны быть практически  идентичными, исключая небольшой сдвиг  по фазе.

25. Поверните  элемент управления Gain (Коэффициент усиления) модуля Amplifier (Усилитель) против часовой стрелки до упора (в минимальное положение).

26. Не надевая  наушников, подключите их к  модулю Amplifier (Усилитель)

27. Оденьте наушники.

28. Установите  элемент управления Gain  (Усиление) модуля Amplifier (Усилитель) так, чтобы получить комфортный уровень громкости.

29. Внимательно  слушайте сигнал, чтобы определить  дополнительные сигналы кроме  синусоиды 2 кГц.

 

Часть С – Влияние белого шума на детектор огибающей

Следующая часть  эксперимента позволит вам увидеть и услышать влияние белого шума на выход детектора огибающей. Также вы оцените влияние шума для последующего сравнения с детектором произведения для АМ сигнала.

30. Измените  схему, как показано на рисунке  5.

Схема, изображенная на рисунке 5, может быть представлена блок-схемой на рисунке 6. Модуль Генератора Шума генерирует белый шум трех уровней: -20 дБ, -6 дБ, 0 дБ. Как можно видеть, вы начнете с самого минимального уровня шума в -20 дБ.

31. Посмотрите  и послушайте демодулированный  сигнал и запишите эффекты влияющие на форму и звук сигнала.

32. Переключите  шумовой вход с Генератора  Шума в модуле Adder (Сумматор) с положения в -20 дБ в положение -6 дБ.

33. Запишите  эффекты увеличения шума на  форму и звук демодулированного  сигнала.

34. Переключите  шумовой вход с Генератора Шума в модуле Adder (Сумматор) с положения в -6 дБ в положение -0 дБ и повторите пункт 33.

Вопрос 1

Что добавляет  белый шум в звуковой АМ сигнал на выходе детектора огибающей?

Вопрос 2

Почему тон  синусоиды 2 кГц еще слышно, когда  уровень шума в -6дБ и 0дБ вызывает сильное искажение формы сигнала?

В следующей  части эксперимента требуется количественно  оценить влияние шума на получаемые на выходе данные.

35. Верните уровень  шума в положение -20 дБ.

36. Перенастройте  осциллограф:

• Trigger Type в положение Immediate
• Timebase в положение 5ms/div

37. Разъедините  между собой модуль Опорных  Сигналов (Masters Signal) 2кГц синусоида и вход А модуля Сумматор.

Примечание: Это удаляет сигнал сообщения со входа модулятора и выхода демодулятора.

38. Измерьте среднеквадратичное значение напряжения (RMS) шума на выходе демодулятора и запишите это значение в таблицу 1.

Примечание: Осциллограф производит непосредственное измерение среднеквадратичных значений (RMS)

Примечание: Измерения будут немного варьироваться, поэтому выбрите значения в середине диапазона

39. Соедините  между собой модуль Опорных  Сигналов (Masters Signal) 2кГц синусоида и вход А модуля Сумматор.

40. Измерьте  среднеквадратичное значение напряжения (RMS) комбинированного сигнала и шума на выходе демодулятора и запишите это значение в таблицу 1.

41. Высчитайте  и запишите отношение сигнал-шум,  используя следующую формулу:

42. Переведите  значение SNR в децибелы и запишите это значение в таблицу.

43. Повторите  пункты 37-42 для уровней шума в -6 дБ и 0дБ.

Вопрос 3. Что  происходит с отношением сигнал-шум при увеличении уровня шума, в то время как уровень сигнала остается постоянным?

 

Часть D - Настройка канала шума и детектора произведения

Следующая часть  эксперимента предполагает создание детектора произведения и подключение его к АМ модулятору через канал с ограниченной пропускной способностью. Шум не добавляется на этом этапе, но он легко может быть добавлен позже.

44. Перенастройте  осциллограф следующим образом:

• Trigger Type в положение Edge
• Timebase в положение 100μs/div

45. Отсоедините  детектор огибающей, чтобы вернуть  схему АМ модулятора как на  рисунке 7.

46. Проверьте,  что осциллограф показывает сигнал  сообщения и модулированную несущую.

47. Измените  схему, как показано на рисунке 8.

Схема, изображенная на рисунке 8, может быть представлена блок-схемой на рисунке 9. Модуль Умножителя (Multiplier) и RC ФНЧ составляют детектор произведения с локальной несущей, «заимствованной» из мастера Опорных Сигналов, поэтому она находится в фазе с несущей для АМ сигнала (вспомните, что синхронизация несущей очень важна для детектора произведения).

48. Сравните  сигнал сообщения с демодулированным  сигналом.

Примечание: Два  сигнала должны быть практически  идентичными, исключая небольшой сдвиг  по фазе.

49. Послушайте  восстановленное сообщение, чтобы  проверить что вы слышите чистую  синусоиду 2 кГц.

 

Часть Е - Влияние белого шума на детектор произведения

Следующая часть  эксперимента позволит вам увидеть  и услышать влияние белого шума на выход детектора произведения. Также вы оцените влияние шума для последующего сравнения с детектором огибающей для АМ сигнала.

50. Измените  схему, как показано на рисунке  10.

Схема, изображенная на рисунке 9, может быть представлена блок-схемой на рисунке 10. Генератор Шума добавляет белый шум в канал связи.

51. Посмотрите  и послушайте демодулированный  сигнал и запишите эффекты  влияющие на форму и звук  сигнала.

52. Переключите  шумовой вход с Генератора  Шума в модуле Adder (Сумматор) с положения в -20 дБ в положение -6 дБ.

53. Запишите  эффекты увеличения шума на  форму и звук демодулированного  сигнала.

54. Переключите  шумовой вход с Генератора  Шума в модуле Adder (Сумматор) с положения в -6 дБ в положение -0 дБ и повторите пункт 53.

Вопрос 4

Есть ли звуковые различия между шумовыми характеристиками детектора огибающей и детектора произведения?

 

Следующая часть  эксперимента позволит количественно  оценить влияние шума.

55. Верните уровень  шума в положение -20 дБ.

56. Перенастройте  осциллограф:

• Trigger Type в положение Immediate
• Timebase в положение 5ms/div

57. Разъедините  между собой модуль Опорных  Сигналов (Masters Signal) 2кГц синусоида и вход А модуля Сумматор.

Примечание: Это удаляет сигнал сообщения со входа модулятора и выхода демодулятора.

58. Измерьте  среднеквадратичное значение напряжения (RMS) шума на выходе демодулятора и запишите это значение в таблицу 2.

Примечание: Осциллограф  производит непосредственное измерение  среднеквадратичных значений (RMS)

Примечание: Измерения  будут немного варьироваться, поэтому выбрите значения в середине диапазона

59. Соедините  между собой модуль Опорных  Сигналов (Masters Signal) 2кГц синусоида и вход А модуля Сумматор.

60. Измерьте  среднеквадратичное значение напряжения (RMS) комбинированного сигнала и шума на выходе демодулятора и запишите это значение в таблицу 2.

61. Высчитайте  и запишите отношение сигнал-шум,  используя следующую формулу:

62. Переведите значение  SNR в децибелы и запишите это значение в таблицу.

63. Повторите пункты 57-62 для  уровней шума в -6 дБ и 0дБ.

Вопрос 5. Сравните результаты Таблицы1 и Таблицы2. Есть ли существенные различия влияния шума на детектор огибающей и детектор произведения?

Вопрос 6. Объясните, используя  математические модели, почему влияние  шума на оба детектора должно быть одинаковым?