專利名稱：一種寬帶混沌信號振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及混沌信號產(chǎn)生系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種寬帶混沌信號振蕩O
背景技術(shù)：
混沌信號是由確定性動力系統(tǒng)產(chǎn)生的類似隨機噪聲的非周期信號。由于非常簡單 的非線性動力系統(tǒng)就能產(chǎn)生復(fù)雜的動力學(xué)行為，并且可能通過對動力系統(tǒng)的改變得到符合 特定應(yīng)用需求的信號，因此將混沌系統(tǒng)應(yīng)用于產(chǎn)生寬帶信號引起了眾多的注意。目前常見 的混沌信號產(chǎn)生系統(tǒng)，按照實現(xiàn)系統(tǒng)的方式，可分為模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)。模擬電路實現(xiàn)的混沌信號源的優(yōu)勢在于可以由簡單的電路直接產(chǎn)生頻譜符合要 求的信號，但是系統(tǒng)工作在高頻時，系統(tǒng)方程中的非線性函數(shù)項的特性往往很難精確的實 現(xiàn)。模擬混沌系統(tǒng)實現(xiàn)方案眾多，但從在通訊和雷達中的具體應(yīng)用來說，蔡氏電路，RC電路 和以Colpitts電路為基礎(chǔ)的一類電路受到廣泛的重視。下面介紹有代表性的基于Colpitts電路的混沌信號源實現(xiàn)方案。Colpitts電路是一種常用于產(chǎn)生正弦信號的振蕩器，在各種電子系統(tǒng)中得到廣泛 的應(yīng)用?；贑olpitts電路的混沌信號源，其由Colpitts電路和選頻網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)組成，其輸 出信號的頻譜形狀由選頻網(wǎng)絡(luò)決定。這個電路最大的優(yōu)勢在于能通過改變選頻網(wǎng)絡(luò)控制輸 出信號的頻譜形狀，同時又能保證整個電路的混沌特性。理論上我們能由這種電路獲得任 意帶限頻譜形狀的混沌信號，上述結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)產(chǎn)生了 900-1000 MHz的帶通混沌信號，可以 作為寬帶混沌信號雷達的信號源。但是為了獲得較好的頻譜，選頻網(wǎng)絡(luò)需要較多的元件，這 提高了整個電路的復(fù)雜度，使得電路不易于重復(fù)實現(xiàn)，其產(chǎn)生的信號也不易于再生，給雷達 信號的后續(xù)處理帶來了一定的困難。理論上混沌映射可以由時鐘信號控制的模擬電路直接實現(xiàn)，但在精度和速度上都 受到現(xiàn)有技術(shù)的限制。雖然數(shù)字系統(tǒng)的有限精度(字長效應(yīng))會影響信號的特性，但是實 踐證明在一定的精度下，數(shù)字技術(shù)能近似地實現(xiàn)需要的離散混沌系統(tǒng)。數(shù)字方式產(chǎn)生的離 散混沌信號具有周期性，但性能穩(wěn)定，易于控制。離散混沌信號在應(yīng)用中一般需要經(jīng)過調(diào)制 或通過濾波器來得到頻譜滿足需求的信號。數(shù)字技術(shù)能方便地近似實現(xiàn)混沌系統(tǒng)，產(chǎn)生的 混沌序列也容易再生，但是由于現(xiàn)有數(shù)字技術(shù)的限制，所產(chǎn)生混沌信號的最高頻率受到了 影響。如上所述，混沌信號源通常由模擬方式或數(shù)字方式實現(xiàn)，兩種實現(xiàn)方式各有其優(yōu) 缺點。直觀來看，模擬實現(xiàn)的混沌系統(tǒng)將具有極為簡單的電路結(jié)構(gòu)，非常易于實現(xiàn)。但一般 來說，混沌信號源的模擬實現(xiàn)面臨以下難題1、高頻下非線性器件難以精確實現(xiàn)；2、簡單RC混沌振蕩器難以產(chǎn)生高頻寬帶信號；3、輸出信號性能一般對電路參數(shù)變化敏感；4、混沌信號的概率密度函數(shù)和功率譜函數(shù)的形狀不易控制；[0012]5、受混沌系統(tǒng)初值敏感性影響難以重構(gòu)輸出信號。數(shù)字實現(xiàn)方式能避免模擬實現(xiàn)方案的大部分問題，性能穩(wěn)定易于控制，然而也有 自身的缺陷。首先數(shù)字系統(tǒng)輸出的混沌信號最高頻率受系統(tǒng)鐘頻的限制。其次，數(shù)字實現(xiàn) 的系統(tǒng)是對離散混沌系統(tǒng)的近似，由于有限字長效應(yīng)輸出序列必然具有周期性。另外，數(shù)字 實現(xiàn)的混沌源的輸出信號一般不能直接使用，而要經(jīng)過某些調(diào)制后成為符合要求的信號。在寬帶通信和寬帶信號雷達應(yīng)用中，一般要求發(fā)射信號是具有矩形帶通譜的高頻 寬帶信號。對于需要進行延遲和相關(guān)等操作的通信和雷達系統(tǒng)，信號易于延遲或易于重構(gòu) 是一個重要的優(yōu)勢。在電子對抗環(huán)境下，復(fù)雜形式的信號具有更多優(yōu)勢。此外，系統(tǒng)輸出信 號隨環(huán)境造成的參數(shù)變化的穩(wěn)定性也是一個重要的指標?，F(xiàn)有的單獨模擬實現(xiàn)混沌源方案 和數(shù)字實現(xiàn)混沌源方案都難以完全滿足應(yīng)用中的上述需求。發(fā)明內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種在直接輸出滿足要求的寬帶混沌信號 的同時，能兼顧信號的可再生性的寬帶混沌信號振蕩器。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供的寬帶混沌信號振蕩器包括模擬系統(tǒng)和 用于產(chǎn)生混沌脈沖信號并驅(qū)動所述模擬系統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)；所述模擬系統(tǒng)包括多諧波振蕩 器和用于控制多諧波振蕩器輸出的混沌信號的頻譜范圍的濾波網(wǎng)絡(luò)。本實用新型具有的技術(shù)效果(1)本實用新型的寬帶混沌信號振蕩器，以 Colpitts電路為基礎(chǔ)的數(shù)字模擬混合實現(xiàn)的系統(tǒng)，以解決單獨模擬實現(xiàn)或單獨數(shù)字實現(xiàn)方 案中的一些缺點。使得新的混沌信號源具有以下特點1)、產(chǎn)生較高頻率的寬帶混沌信號； 2)、輸出信號的混沌特征對電路參數(shù)的變化具有魯棒性；3)、可控的頻譜范圍，輸出信號具 有近似矩形的帶通譜；4)、輸出信號頻譜比單獨模擬實現(xiàn)混沌系統(tǒng)輸出信號的更平坦；5)、 輸出的混沌信號具有可再生性，即在產(chǎn)生系統(tǒng)信息完全已知時可由相同的系統(tǒng)產(chǎn)生幾乎同 樣的輸出信號。(2)本實用新型提出的數(shù)字混沌脈沖序列驅(qū)動模擬振蕩器實現(xiàn)的混沌源是 模擬技術(shù)實現(xiàn)混沌信號源和數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)混沌信號源的結(jié)合；其在直接輸出滿足要求的寬 帶混沌信號的同時，也能兼顧信號的可再生性。由數(shù)字信號驅(qū)動的模擬系統(tǒng)有比單純模擬 技術(shù)實現(xiàn)的相同系統(tǒng)更平坦的頻譜和更好的自相關(guān)特性。信號的可再生性使得高頻寬帶混 沌信號的時延操作可以通過時延較低頻率較小帶寬的數(shù)字信號來實現(xiàn)，從而方便了后續(xù)的 信號處理。利用基于Colpitts電路的系統(tǒng)進行了驗證，數(shù)值仿真和電路試驗一致的證明了 數(shù)字混沌脈沖序列驅(qū)動模擬振蕩器實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢。本實用新型的寬帶混沌信號振蕩器， 兼顧了信號的頻譜可控性和信號的可再生性，將有利于提高混沌信號在通信與雷達應(yīng)用中 的性能，降低混沌信號處理的難度。
為了使本實用新型的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)的具體實施例并結(jié)合附 圖，對本實用新型作進一步詳細的說明，其中圖1 (a)是實施例中的Colpitts電路的結(jié)構(gòu)原理圖。圖1 (b)是實施例中的Colpitts電路的共基組態(tài)三極管模型圖。圖2 (a)是實施例中的混沌脈沖驅(qū)動的Colpitts振蕩器第一個狀態(tài)變量的時間4圖。圖2 (b)是實施例中的混沌脈沖驅(qū)動的Colpitts振蕩器第一個狀態(tài)變量的頻譜 圖。圖3是實施例中的由數(shù)字混沌脈沖序列驅(qū)動模擬振蕩器而實現(xiàn)的寬帶混沌信號 振蕩器的結(jié)構(gòu)框圖。圖4是圖3中的模擬系統(tǒng)的電路原理圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型進行詳細說明如圖3，本實施例的寬帶混沌信號振蕩器包括模擬系統(tǒng)和用于產(chǎn)生混沌脈沖信 號并驅(qū)動所述模擬系統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)。所述模擬系統(tǒng)包括多諧波振蕩器和用于控制多諧波振蕩器輸出的混沌信號的頻 譜范圍的濾波網(wǎng)絡(luò)。數(shù)字系統(tǒng)由FPGA或DSP等實現(xiàn)。多諧波振蕩器為蔡氏電路，RC電路或Colpitts電路。下面以Colpitts電路為 例。Colpitts電路是人們所熟知的振蕩器電路。作為典型的電容三點式反饋振蕩電 路，Colpitts電路非常廣泛地應(yīng)用于從極低頻到毫米波頻段的信號源中。在傳統(tǒng)Colpitts 電路的應(yīng)用中，人們關(guān)注其簡諧振蕩特性，而盡力抑制其它的非線性效應(yīng)，以期獲得高質(zhì) 量、純凈而穩(wěn)定的正弦信號輸出。直到1994年，M. P. Kennedy才首次發(fā)現(xiàn)Colpitts電路可 以工作在混沌振蕩狀態(tài)，并具有很好的高頻工作潛力。作為一種簡單的單管電路，Colpitts 電路相比于蔡氏電路等其他分段非線性電路最大的優(yōu)勢在于其非線性源于三極管自身， 因而可以工作的頻段遠遠高于傳統(tǒng)蔡氏電路中用運算放大器實現(xiàn)的非線性負阻。此外， Colpitts電路還具有功耗低、電路結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)等優(yōu)點。因此，Colpitts電路在目前 階段是實現(xiàn)微波混沌的最有前景的方案。本節(jié)主要研究驅(qū)動下Colpitts振蕩器的混沌和 同步。Colpitts電路的基本結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，其中三極管作為振蕩器的增益元件，電 感Z和電容6；，C2構(gòu)成一個諧振網(wǎng)絡(luò)。三極管為三端口非線性器件，采用圖4(b)所示等效 電路模型，基極電流忽略不計，基極和發(fā)射極之間等效為一壓控非線性電阻冬，集電極和基 極之間等效為一流控電流源忍。壓控非線性電阻冬的驅(qū)動點特性寫成其中Js為反向飽和電流，Vt室溫條件下約為
權(quán)利要求1. 一種寬帶混沌信號振蕩器，其特征在于包括模擬系統(tǒng)和用于產(chǎn)生混沌脈沖信號并 驅(qū)動所述模擬系統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)；所述模擬系統(tǒng)包括多諧波振蕩器和用于控制多諧波振蕩器輸出的混沌信號的頻譜范 圍的濾波網(wǎng)絡(luò)。
專利摘要本實用新型涉及一種寬帶混沌信號振蕩器，其包括模擬系統(tǒng)和用于產(chǎn)生混沌脈沖信號并驅(qū)動所述模擬系統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)；所述模擬系統(tǒng)包括多諧波振蕩器和用于控制多諧波振蕩器輸出的混沌信號的頻譜范圍的濾波網(wǎng)絡(luò)。本實用新型以Colpitts電路為基礎(chǔ)的數(shù)字模擬混合實現(xiàn)的系統(tǒng)，具有以下特點1)產(chǎn)生較高頻率的寬帶混沌信號；2)輸出信號的混沌特征對電路參數(shù)的變化具有魯棒性；3)可控的頻譜范圍，輸出信號具有近似矩形的帶通譜；4)輸出信號頻譜比單獨模擬實現(xiàn)混沌系統(tǒng)輸出信號的更平坦；5)輸出的混沌信號具有可再生性，即在產(chǎn)生系統(tǒng)信息完全已知時可由相同的系統(tǒng)產(chǎn)生幾乎同樣的輸出信號。
文檔編號H03B5/36GK201830201SQ201020577840
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者包伯成, 李春彪, 羅印升, 胡文 申請人:江蘇技術(shù)師范學(xué)院