Что такое генератор комфортного шума

Как технологично сделать соседей потише

Когда и работа, и отдых — дома, шумные соседи превращаются в пытку. Защититься от лишних звуков помогут современные технологии.

Примерно год назад из-за пандемии и требований к самоизоляции наши квартиры неожиданно превратились в офисы и учебные аудитории. С новым форматом работы пришли новые проблемы, и далеко не последняя из них — шум.

Против удаленщиков оказалось все: родственники, домашние животные, стиральные машины и телевизоры. И, конечно, настоящее проклятие любого, кто вынужден сидеть дома в рабочее время, — соседи с дрелью или грудным ребенком. При этом если по ночам вас хоть как-то защищает от шума закон о тишине, то днем они в своем праве.

Домашний шум не только мешает работать и портит настроение. Датские ученые установили, что раздражающие звуки от соседей могут привести к нарушениям физического и психического здоровья. К счастью, современные технологии помогают справиться с этой напастью.

Как избавиться от шума: пассивная звукоизоляция

Противостоять соседскому шуму можно пассивными и активными методами. Пассивные предполагают шумоизоляцию квартиры с помощью панелей для стен и напольных покрытий из звукопоглощающих материалов. Это довольно долгий и затратный, хотя и действенный метод.

Бюджетный вариант пассивной защиты — беруши. Самые распространенные беруши из вспененного полипропилена хорошо держатся не во всяком ухе. Более дорогие и продвинутые разновидности бывают из силикона или воска, у них эффективность шумоподавления и удобство, как правило, выше.

В целом беруши — это очень индивидуальная история: нужно пробовать совместимость разных моделей конкретно с вашими ушами. Также не забывайте, что беруши необходимо менять или дезинфицировать. Кроме того, не стоит носить их постоянно — это не очень-то полезно для здоровья.

Ну и самое главный недостаток этого прекрасного изобретения: с берушами в ушах вы хуже слышите не только шум, но и нужные звуки — например, коллег во время видеозвонка. Так что здесь приходит черед активных методов.

Как избавиться от шума: активное шумоподавление

Активные методы предполагают, что вы не отгораживаетесь от нежелательных звуков, а заглушаете или фильтруете их с помощью технических средств. Идею активного шумоподавления почти век назад предложил немецкий ученый Пауль Люг (Paul Lueg), запатентовавший метод нейтрализации шума специальным звуковым сигналом.

Как это работает? Звук — это колебания, которые можно для простоты нарисовать как волны, чьи «холмы» циклически сменяются «впадинами» и вновь плавно переходят в «холмы».

Люг предложил генерировать зеркально противоположные колебания, чтобы «холмы» подавляющего шума совпадали со «впадинами» шума окружающей среды — и наоборот. Если волны идеально симметричны в тот момент, когда доходят до ваших ушей, они гасят друг друга, и вы не слышите их. Да-да, добавляя к звуку звук, можно создать полную тишину! Правда, для этого нужно оставаться на месте, иначе волны двух шумов пойдут в рассинхрон и станут слышны.

Наушники с активным шумоподавлением

По описанному Люгом методу работают наушники с шумоподавлением. В них встроены микрофоны, которые улавливают окружающие звуки. Затем устройство создает «контршум» и транслирует его.

Помимо наушников, существуют и умные беруши с функцией активного шумоподавления. Они работают так же, только послушать в них музыку или подключиться к конференции не получится. Зато устройство пригодится вам, если шум в квартире или снаружи мешает спать.

Впрочем, абсолютной тишины с помощью подобных гаджетов не добиться: они справляются далеко не со всеми посторонними звуками. Монотонный гул в самолете, например, они гасят эффективно, а вот звонкий собачий лай — не очень.

Если вы решитесь купить такое устройство, сперва изучите обзоры и отзывы и по возможности протестируйте его прямо в магазине — так вы убережете себя от разочарования.

Защита от шума на созвонах: микрофоны с фильтрами

Если вам приходится часто участвовать в онлайн-конференциях, не лишним будет позаботиться и о комфорте собеседников, ведь им слушать дрель вашего соседа тоже не очень интересно. В этом поможет микрофон с шумоподавлением.

Чаще всего работает он за счет… второго микрофона! Один из микрофонов расположен ближе к источнику нужного звука (то есть к вашим губам), другой подальше. Оба примерно одинаково считывают окружающий фон, а вот полезный сигнал — речь человека — первый улавливает гораздо лучше. Устройство отсеивает совпадающие звуки и получает очищенную от шума речь.

Если у вас обычная гарнитура с одним микрофоном, а покупать новую вам почему-либо не хочется, присмотритесь к адаптерам с шумоподавлением — если подключить гарнитуру через такое устройство, вас на том конце провода будут слышать лучше. Правда, такие адаптеры стоят не очень дешево.

Настройки шумоподавления в операционной системе

Если вы категорически не хотите покупать новые устройства, можно попытаться убрать посторонние звуки штатными средствами компьютера. В настройках операционных систем есть функция шумоподавления. Эффект от нее, как и в случае со специальным микрофоном, смогут оценить лишь ваши собеседники.

Соответствующие настройки в Windows могут называться по-разному для разных звуковых карт, а для некоторых — вообще быть недоступны. Но, скажем, в случае Realtek, чтобы настроить шумоподавление, нужно зайти в Панель управления, выбрать Звук, добраться до свойств микрофона и на вкладке Улучшения включить шумоподавление и подавление эха.

Также стоит попробовать уменьшить параметр Усиление микрофона на вкладке Уровни. Дело в том, что вместе с голосом он усиливает и шум.

Встроенная функция шумоподавления есть и в macOS. Чтобы ее включить, нужно открыть Системные настройки, выбрать категорию Звук, перейти на вкладку Ввод, выбрать микрофон и отметить Использовать шумоподавление.

Приложения для борьбы с шумом

Кроме оборудования и системных настроек помочь вам могут специализированные приложения для фильтрации шумов. Возможности у них бывают разными. Например, одни отвечают за «очистку» только звука с вашего микрофона, другие подавляют также шум со стороны собеседника. Некоторые приложения могут блокировать вообще любые звуки, если не слышат в них человеческой речи, защищая ваших коллег на случай, если вы забыли заглушить микрофон, когда решили перекусить или начали яростно набирать письмо с итогами встречи.

Встроенные средства для борьбы с шумом есть и в самих приложениях для видеоконференций — например, в Zoom и Skype.

Должны предупредить: будьте осторожны и не переусердствуйте в попытках улучшить звук. И точно не стоит проводить эксперименты сразу в «боевом» режиме на ответственном звонке. Если хотите включить сразу несколько инструментов шумоподавления, протестируйте разные их комбинации заранее, поскольку неизвестно, подружатся ли они.

Генераторы шума

Если звуки, доносящиеся от соседей, мешают не говорить, а, например, уснуть, спасением может стать, как ни странно, генератор шума — не синхронизированного, а практически любого. Дело в том, что равномерный шум (его разновидности называют белым, розовым и красным) маскирует посторонние звуки, делает их менее заметными и раздражающими. В ряде исследований было показано, что такой аккомпанемент помогает крепче спать.

Белый шум одинаков во всех частотах, красный громче на низких и тише на высоких, а розовый находится посередине между ними. Все они подражают плеску водопада или ливня, но благодаря низким частотам красный шум ощущается «мягче» и напоминает гул водопада вдалеке, а белый — как если бы вы стояли вплотную к нему. К слову, шум воды издревле используется для маскировки звуков. Считается, что одна из функций многочисленных фонтанов во дворцах турецких султанов — помешать любителям подслушивать чужие разговоры.

Прежде чем покупать генератор шума, можно оценить эффективность метода в мобильном приложении, генерирующем фоновый звук. Динамики смартфона обычно слабоваты, но если подключить его, например, к беспроводной колонке, эффект станет более выраженным.

Вместо искусственного шума можно проигрывать записи умиротворяющих природных звуков — морского прибоя или дождя. В любом случае главное — не переборщить: к примеру, слишком высокая громкость способна навредить нежному слуху ребенка. И, конечно, не стоит забывать, что все люди разные, и понять, комфортно ли вам и вашим домочадцам с разными вариантами равномерного шума и фоновыми звуками можно только попробовав.

Перспективы борьбы за тишину

Способов полного избавления квартиры от внешних шумов пока не существует, но исследования в этой области ведутся.

Например, ученые из Наньянского технологического университета в Сингапуре представили технологию, блокирующую звуки с улицы. Исследователи использовали тот же принцип, что и в наушниках с шумоподавлением: для нужного эффекта в лабораторном оконном проеме им пришлось разместить по две дюжины динамиков и микрофонов.

Компания Silentium разработала технологию «пузыря тишины» вокруг человека. Решений для квартир на основе этой технологии пока нет — компания работает над снижением шума в салоне автомобилей. Динамики для контршума планируется размещать в подголовниках кресел.

Несмотря на прогресс технологий, не стоит пренебрегать и социальными средствами в борьбе за домашний комфорт. Пожалуй, лучшее из них — хорошие отношения с соседями. Если договориться с ними о часах тишины, когда ни вы, ни они не будете шуметь, проблема решится сама собой. Если же вас беспокоит не только и не столько шум, то мы подготовили для вас и другие полезные советы по созданию комфортной среды дома.

Генератор шума. Принцип действия. Схема

Для того чтобы добывать информацию, можно использовать множество средств. Самыми эффективными сегодня являются различные технические миниатюрные устройства, которые можно легко и скрытно установить где угодно, прослушивая или подглядывая за происходящим.

Такие средства используются как со стороны разведки и правоохранительных органов, так и в криминальных структурах. Применяют их иногда частные лица и бизнесмены.

Чтобы испортить слежку злоумышленникам, можно воспользоваться специальным электронным устройством под названием генератор шума (ГШ). Он создает помехи рядом с местами, где необходимо подавить возможные сигналы слежки недоброжелателей.

Существует для этого несколько методов.

Экранирование

Для радиолюбителя такой способ является наиболее простым, предназначенным для защиты от утечки важной конфиденциальной информации. В этом варианте шум образуют через электромагнитное экранирование. За счет источника электромагнитной энергии на экране появляются заряды, а на стенках — токи, у которых поля подобны полю источника, но направление — противоположно. Поэтому происходит компенсация. Для простого электромагнитного экранирования можно воспользоваться подручными материалами.

Что нужно для простого экранирования

Даже неискушенный в вопросах радиоэлектроники радиолюбитель легко поймет, о чем идет речь, и достанет все нижеприведенные материалы, в число которых входят:

металлические, в том числе и фольга;
для металлизации поверхностей;
ткани;
стекла с покрытием, проводящим ток;
радиопоглощающие;
клей, проводящий электричество.

С помощью этих средств получают замкнутый экран, который заземляется.

Кроме применения в доме, экранирование используют и в автомобилях. Чтобы устройство здесь работало эффективно, нужно учитывать окна. Поэтому экранирование должно рассчитываться эквивалентно экрану из стекла. Для этого может применяться вкрапление сетки из металла в стекло или использоваться специальные стекла с покрытием, проводящим ток. Для того чтобы нанести это покрытие, используют специальные устройства магнетронного напыления.

Как работает прибор?

Далеко не все средства, эффективно показывающие себя в помещении, подходят для автомобилей. Примером могут служить микрофоны, снабженные приспособлениями для передачи данных в ИК-диапазоне. Для них потребуется тончайшая настройка, которую в полевых условиях выполнить крайне сложно. Кроме того, должны отсутствовать помехи в направлении луча, что на улице реализовать почти невозможно.

По аналогичным причинам не подойдут и лазерные микрофоны. Остаются стетоскопы, диктофоны и навязывание на высоких частотах, реализуемые по радиоканалу.

Самый популярный генератор шума образует белые или розовые шумы. Чтобы разобрать речь, диапазон разбивают на полосы с одинаковым коэффициентом. Если используемая система — непрофессиональная, то имеется семь полос октав. Если разборчивость составляет от тридцати до восьмидесяти процентов, то погрешность будет до двух процентов для помехи речеподобной, до пяти процентов для розового и белого шумов, а также порядка пятнадцати процентов для спадающего шума, имеющего плотность шесть децибел на высокочастотную сторону октавы.

Эффективность защиты информации, передаваемой в речи, зависит от поставленных целей. Например, необходимо скрыть смысл или тему разговора.

Что услышит проводящий слежку?

Речь, при наличии шума, будет восприниматься с потерями частей сообщений. Так, прослушивая фонограмму, где использовался генератор шума, можно будет констатировать, что разговор был. А вот тему его раскрыть не удастся. Проведенные опыты показали, что разборчивость падала примерно на шестьдесят-семьдесят процентов, а при коротком содержании — до сорока-пятидесяти. Понятно, что имея лишь до тридцати процентов понимания речи, установить предмет дискуссии крайне затруднительно.

Опыты показали, что эффективнее всего показывает себя розовый шум, а также речеподобная помеха. Для скрытия разговора необходим генератор шума, осуществляемый помехи на девять децибел. Для белого шума и шума со спадом понадобится десять и тринадцать децибел. Для эффективного действия устройства нужно знать фоновый шум. К примеру, вне салона автомобиля он равен от тридцати до тридцати пяти децибел. Тогда среднее звукоизоляционное значение должно равняться тридцати децибелам.

Белые генераторы шума: схема

Эффективными себя показали акустически-вибрационные средства зашумления. При этом они недорого стоят и легко устанавливаются. Генератор шума работает в акустическом частотном диапазоне, гарантируя снижение разборчивости после записи. Наиболее простым методом белого шума является применение шумящих электронных деталей, которые способствуют усилению напряжения.

Принцип действия приборов заключается в излучении ультразвуковых колебаний, которые не слышатся ухом человека. Дело в том, что люди воспринимают звуки в линейном диапазоне, а микрофон на диктофоне не является линейной деталью. Поэтому на входе устройства возникает интерференция, приводящая к подавлению записи. Так как уровень колебаний ультразвука составляет от восьмидесяти до ста децибел, то он может без вреда для здоровья использоваться и в помещениях, и в транспорте.

Генератор шума «Гном» — одно из устройств, борющихся с побочными электромагнитными излучениями. Выпускалось несколько моделей прибора. Сначала они были громоздкими, а затем уменьшались в размере, оставаясь такими же эффективными. Разработка «Гном 5» является примером компактного и удобного устройства, находящегося под рукой. Принцип действия прибора реализуется в работе с персональным компьютером, защищая его от утечки информации. Размещается устройство в системном блоке.

Наряду со шпионской техникой существуют и специальные устройства для защиты информации. Но никто, кроме нас самих, не будет использовать их. Только в наших руках находится информационная защита. А реализовывать ее или нет — личное решение каждого.

Формирование комфортного шума

1.7.4 Формирование комфортного шума

Формирование комфортного шума осуществляется в паузах активной речи и управляется речевым декодером. Когда детектор активности речи (VAD) в передатчике обнаружит, что говорящий прекращает разговор, передатчик остается еще включенным в течение следующих пяти речевых кадров. Во время первых четырех из них характеристики фонового шума оцениваются путем усреднения коэффициента усиления и коэффициентов фильтра LPC анализа. Эти усредненные значения передаются в следующем пятом кадре, в котором содержат информацию о комфортном шуме (SID кадр).

В речевом декодере комфортный шум генерируется на основе LPC анализа SID кадра. Чтобы исключить раздражающее влияние модуляции шума, комфортный шум должен соответствовать по амплитуде и спектру реальному фоновому шуму в месте передачи. В условиях подвижной связи фоновый шум может постоянно изменяться. Это значит, что характеристики шума должны передаваться с передающей стороны на приемную сторону не только в конце каждого речевого всплеска, но и в речевых паузах так, чтобы между комфортным и реальным шумом не было бы резких рассогласований в следующих речевых кадрах. По этой причине SID кадры посылаются каждые 480 мс в течение речевых пауз.

Динамическое изменение характеристик комфортного шума обеспечивает натуральность воспроизведения речевого сообщения при использовании системы прерывистой передачи речи.

1.7.5 Экстраполяция потерянного речевого кадра

В условиях замираний сигналов в подвижной связи речевые фрагменты могут подвергаться значительным искажениям. При этом для исключения раздражающего эффекта при воспроизведении необходимо осуществлять экстраполяцию речевого кадра.

Было установлено, что потеря одного речевого кадра может быть значительно компенсирована путем повторения предыдущего фрагмента. При значительных по продолжительности перерывах в связи предыдущий фрагмент больше не повторяется, и сигнал на выходе речевого декодера постепенно заглушается, чтобы указать пользователю на разрушение канала.

То же самое происходит и с SID кадром. Если SID кадр потерян во время речевой паузы, то формируется комфортный шум с параметрами предыдущего SID кадра. Если потерян еще один SID кадр, то комфортный шум постепенно заглушается.

Применение экстраполяции речи при цифровой передаче, формирование плавных акустических переходов при замираниях сигнала в каналах в совокупности с полным DTX процессом значительно улучшает потребительские качества связи с GSM PLMN по сравнению с существующими аналоговыми сотовыми системами связи.

2 Генерирование случайного процесса, нахождение оценок статистических характеристик сгенерированного процесса

Исходя из технического задания, параметры спектра генерированного сигнала следующие: 210 Гц, 20 Гц, Т=0,001 с.

Кодирование речи в стандарте GSM основано на синтезе модели авторегрессии (АР) речевого сигнала с полюсной передаточной функцией. Применение метода LPC-LTP-RPE- линейного предсказания с возбуждением от регулярных импульсов с долговременным и кратковременным предсказанием позволило, применяя модель АР невысокого порядка, добиться высокого качества передачи речи. Модель АР описывается разностным уравнением вида:

где и – параметры модели АР, соответственно коэффициенты и порядок АР;– ошибки предсказания, представляющие собой некоррелированные случайные отсчеты. Сущность модели АР состоит в том, что текущий отсчет может быть спрогнозирован по предшествующим отсчетам с точностью до непрогнозируемого абсолютно случайного отсчета типа белого шума.

Для второго порядка уравнение АР имеет вид:

Произведем расчет коэффициентов АР и по следующим формулам :

Лучшие генераторы шума для улучшения вашей продуктивности

Когда вам трудно сосредоточиться на проекте, иногда все, что нужно, чтобы обрести свою мотивацию, — это правильный фоновый шум. В прошлом я не часто использовал генераторы фонового шума, но в последнее время я все больше и больше обращаюсь к ним. Они мне нравятся по нескольким причинам:

они блокируют отвлекающие звуки и разговоры вокруг меня;
они исключают полную тишину (которая на меня тоже приодически давит);
они помогают удерживать моё внимание от блужданий;
многие из них позволяют настроить звучание в соответствии с моими вкусовыми предпочтениями;
многие из них красиво оформлены и могут добавить «изюма» моему трудовому дню.

Порой мне трудно сосредоточиться, меня отвлекают окружающие люди или мои собственные блуждающие мысли. Для себя я обнаружил, что правильный фоновый шум помогает мне блокировать эти отвлекающие факторы и позволяет сконцентрировать внимание на том, что я делаю.

Раньше я включал фоном «Транс», но стал ловить себя на мысли, что моё внимание переключается на слова. Позже я стал использовать такие музыкальные направления как Lounge и Chillout, но и там музыкальный ритм и гармония время от времени завоёвывали моё внимание. Генераторы шума обычно избегают четко различимые слова, в них используются звуки природы: дождь, гроза, потрескивание костра, шум морских волн, журчание реки, кошачье мурлыканье, блеяние овец, шум ветра, звуки морских животных, стук колёс поезда и многие другие в зависимости от создателя.

Как оказалось, я не единственный, кто продуктивнее работает с подобными фоновыми звуками. Исследования подтверждают творческие преимущества прослушивания фонового шума.

Исследование издания Journal of Consumer Research, проведённое в 2012 году показало, что умеренный уровень фонового шума повышает креативность. Кроме того исследование показало, что, когда испытуемые слушали более громкий окружающий шум, они проводили меньше времени над выполнением заданий. Исследователи пришли к выводу, что фоновый шум оказывает влияние на скорость обработки информации.

Из этого исследования следует, что вы должны слушать окружающий шум на умеренном уровне, достаточно высоком, чтобы маскировать отвлекающие звуки вокруг вас, но достаточно низкий, чтобы шум не мешал вашим психическим процессам.

Noizio (Mac OS, iOs, Android)

Это платный продукт, с удобным и симпатичным интерфейсом который я приобрёл в appstore за 450 рублей. Дополнительно за 75 рублей можно докупить наборы: генератор белого шума, детская игровая площадка, пение тропических птиц и многие другие.

Описание с их сайта:

Чувствуете, что шум большого города слишком давит на вас и становится невыносим? Просто включите звук и позвольте себе погрузиться в спокойные звуки природы. Хотите почувствовать себя, сидящим у камина закутавшись в тёплый плед или ощутить себя медитирующим на пустынном берегу моря, чувствуя, как порывы ветра касаются ваших волос? Noizio поможет создать вам это настроение. С помощью фонового звука вы сможете не только расслабиться, но и повысить производительность, лучше сконцентрировав внимание на своей работе.

Sleepo (Android)

Это бесплатное приложение, но с рекламой, на 4pda при желании можете найти вариант без рекламы, а лучше конечно поощрить разработчика и оплатить работу этого замечательного приложения. Мне оно понравилось даже больше чем Noizio, жаль, что его делают только под андроид, я бы с удовольствием его использовал на десктопе. Такого обширного количества звуков, я не встречал ни в одном приложении и ни на одном сайте. Есть генератор белого и ровоого шумов, дудук и пианино. Плюс конечно же пятерочка за красивый интуитивно понятный интерфейс.

Rainyscope (Веб-сайт)

Простой и красивый веб-сайт генерирующий небольшой набор фоновых шумов, таких как летний дождь, летнее пение птиц, осенний дождь, метель, гроза и кафе. Есть встроенный таймер, в котором можно установить автоотключение.

Noisli (Веб-сайт, iOS, Android и расширение Chrome браузера)

Хороший онлайн веб сервис, предлагающий на на выбор три режима: случайный, продуктивность и расслабление. Так же можно самостоятельно выбрать один из 16 предложенных шумов, которые можно по желанию сочетать друг с другом в понравившейся композиции. Приложения для iOs и Android я не тестировал, но думаю они не плохи по цене всего в 149 рублей.

В веб версии, так же как и в предыдущем сервисе, в Noisli есть таймер. Удобное расширение для Chrome(и прочих Chromium based браузеров). Легкая регистрация посредством аккаунтов Google и Facebook, после логина можно пользоваться веб версией простейшего блокнота умеющего в Markdown разметку , тоесть слушать генерируемые звуки и писать статьи и прочие заметки в интерфейсе Noisli. После написания можно сохранить в Dropbox аккаунт или скачать себе на компьютер в txt формате.

A Soft Murmur (Веб-сайт, iOs, Android (Free)

Тоже довольно неплохой сервис, причем имеющий помимо вебверсии ещё и бесплатные iOs и Android приложения. Имеет неплохой набор звуков, который собственно весь показан выше на скриншоте.

exhale

Ещё один веб сервис, имеющий неплохую подборку генерируемых фоновых шумов, ничего супер примечательного, просто ещё одна бесплатная альтернатива.

Высокоэффективный генератор шума на базе стабилизатора напряжения

Генераторы шума используются не только как средства измерения для генерации сложных некоррелированных сигналов, но и как формирователи случайных процессов, например для генерации последовательности случайных чисел. Так, автор статьи использовал эти устройства в качестве узлов электронных музыкальных инструментов и генерации последовательностей случайных чисел для различных автоматов компании TCSJOHNHUXLEY [1, 2].

Как правило, если не брать во внимание программные методы синтеза шумовых сигналов, генераторы шума основаны на трех типах первичных источников шумового сигнала. Это обратносмещенные p-n-переходы биполярных транзисторов, стабилитроны или специальные шумовые диоды. Недостатком всех этих «традиционных» источников шума является низкий уровень шумового сигнала, а специальные шумовые диоды, несмотря на их неоспоримые достоинства по сравнению с остальными традиционными источниками шума, еще и весьма дороги. Для примера широко применяемый шумовой диод 2Г401В [3] имеет при нормальных климатических условиях гарантированную спектральную плотность напряжения 30 мкВ/√Гц. И это один из самых эффективных генераторов шума. В отличие от специально разработанных шумовых диодов уровень шума конкретного стабилитрона мало предсказуем и может быть определен только опытным путем [4].

Еще одним недорогим генератором шума, как это ни странно, являются компенсационные стабилизаторы напряжения. Причем в отличие от обратносмещенных p-n-переходов биполярных транзисторов и стабилитронов многие ИМС таких стабилизаторов и источников опорного напряжения нормируются как по спектральной плотности напряжения в полосе частот, так и по среднеквадратичному напряжению шума или размаху амплитуды напряжения шумов. Например, для ИМС LM2931-5.0 типовое среднеквадратичное напряжение шумов в диапазоне частот от 10 Гц до 100 кГц равно 500 мкВ (выходной конденсатор С_OUT = 100 мкФ) [5].

Пример такого варианта исполнения генератора шума с использованием LM2931-5.0 как стабилизатора и источника шумового сигнала приведен в [6]. Однако и такие генераторы шума, хоть и выигрывают в стабильности и качестве генерации шума (в низкочастотном диапазоне он может быть приравнен к белому шуму), нуждаются в дополнительном усилителе, что приводит к удорожанию схемы в целом.

В ходе опытно-конструкторских работ автор статьи случайно обнаружил не описанный ранее феномен в поведении компенсационных генераторов, который позволяет получить значительно более высокий уровень среднеквадратичного напряжения шума. Этот эффект не был известен разработчикам компаний ON Semiconductor и Texas Instruments. (Это подтвердил автору статьи инженер компании по применению стабилизаторов напряжения Гонг Ксан (Gong Xun)). Соответственно, он не был учтен в руководящих материалах, и его не показывают программы компьютерного моделирования, например, такая мощная программа, как Multisim компании National Instruments.

Эффект характерен для любых ИМС компенсационных стабилизаторов напряжения и даже ИМС опорного напряжения, таких как ADR425ARZ.

Автор статьи проверял этот феномен на следующих ИМС: LM2931-5.0, L78L15ABU, SPX1117M3-L и т. д. Наилучший результат был получен на образцах ИМС LM2931-5.0, самый низкий уровень шумов дали образцы ADR425ARZ.

На рис. 1 представлена простая схема такого необычного генератора. Генератор в диапазоне не менее чем до 100 кГц производит шумовой сигнал со среднеквадратичным напряжением в сотни милливольт и не нуждается в дополнительных усилителях для большинства применений. ИМС стабилизатора напряжения обеспечивает одновременно генерацию шумов и питание всей схемы устройства (например, дополнительных фильтров, цепей управления, исполнительных цепей и т. п.). В отличие от схемы, представленной в [6], предлагаемая схема не требует подборки выходного конденсатора и не изменяет стандартную схему включения стабилизатора по выходу.

Рис. 1. Схема простого генератора шума

В противоположность схеме [6] источник шума — это не выходная, а входная цепь стабилизатора напряжения DA1. Сопротивление R2 использовано как нагрузка для выделения шумового сигнала. При указанном номинале R2 среднеквадратичное напряжение шума на выходе схемы составляет около 800 мВ.

Номинал сопротивления R2 рассчитывается как:

где V_IN — минимальное напряжение питания схемы (+12 В для примера на рис. 1); V_S — максимальное выходное напряжение стабилизатора DA1 (V_S = 5,19 В здесь и далее, согласно [5]); V_DV — минимально допустимое падение напряжения на DA1 (V_DV = 0,2 В); I_OUT — максимальный ток нагрузки по шине +5 В (допустим, что от ИМС питается внешний фильтр с током потребления 2,5 мА); I_q — собственный максимальный ток потребления DA1 (I_q = 1 мА); V_PN — ожидаемая максимальная амплитуда шумового сигнала (положим, V_PN = 0,6 В).

Таким образом, в рассматриваемом варианте в качестве резистора для выделения шума можно использовать резистор номиналом 1,5 кОм. Для получения максимально широкого спектра шума величина емкости С1 должна быть минимально допустимой для используемого типа ИМС стабилизатора.

Еще одной особенностью схемы является цепь запуска DA1. Она необходима только лишь для ИМС типа LM2931-5.0. Дело в том, что согласно спецификации LM2931-5.0 при включении она в течение времени не менее 40 мс нуждается в начальном токе не менее чем 26 мА. В противном случае эта ИМС не будет функционировать должным образом. Начальный ток для инициации LM2931-5.0 обеспечивается каскадом на транзисторе VT1. Цепь запуска не требуется при использовании других типов стабилизаторов напряжения, например серии L78Lxx, SPX1117 и т. д. Но они, как показали исследования, генерируют меньшие уровни шумового напряжения.

В схему, представленную на рис. 1, можно включить дополнительный фильтр, который может быть запитан непосредственно от ИМС DA1. Если стабилизатор не имеет нагрузки, то в этом случае желательно нагрузить его на некоторое сопротивление, которое обеспечит при выключении разряд выходной емкости С3 и тем самым защитит стабилизатор от переполюсовки. Достаточным будет резистор номиналом 3,3 кОм. Фотография экрана осциллографа, показывающая характер шумов предлагаемой схемы, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Характер шума ИМС LM2931-5.0 (Vp-p = 0,6 В, R2 = 1,2 кОм)

В качестве добавочного фильтра рекомендуется использовать фильтр на базе специализированной ИМС LTC1563-2CGN [7] производства Linear Technology Corp. Автор статьи неоднократно использовал эту микросхему, и ее работа не вызывала никаких нареканий. ИМС LTC1563-2CGN позволяет достаточно просто конфигурировать на ней фильтры высоких порядков без помощи внешних частотозадающих конденсаторов и с малым током потребления. Бесплатная программа для расчета фильтров выложена на сайте компании. Можно воспользоваться и другими техническими решениями, например программой Analog Filter Wizard от Analog Devices, Inc. [8].

В заключение предлагаем посмотреть на некоторые результаты исследований поведения ИМС стабилизаторов различных видов. Исследования проводились в одинаковых режимах:

разность напряжений на входе и выходе ИМС — 2,8 В;
ток нагрузки — 1,6 мА (или холостой ход);
сопротивление нагрузки для выделения шума — 1,5 кОм (620 Ом).

Испытывались экземпляры ИМС типа SPX1117M3-L (в режиме выходного напряжения 5 В), L78L15ABU и LM2931-5.0.

В результате исследований установлено, что образцы ИМС SPX1117M3-L дают напряжение шумов на уровне V_p-p = 0,2 В; L78L15ABU — V_p-p = 0,1 В; LM2931-5.0 — V_p-p = 0,8 В. При этом LM2931-5.0 давали наибольшую полосу спектра частот — не менее чем 100 кГц. Наименьшую полосу дали стабилизаторы L78L15ABU. Есть предположение, что наибольший уровень шума дают стабилизаторы с малым допустимым падением напряжения типа LDO (low-dropout regulator) и сверхмалым допустимым падением напряжения Very LDO.

Сопротивление нагрузки для выделения шумового сигнала на его уровень влияет мало. Различие между уровнем шумового сигнала при изменении сопротивления с 1,5 кОм на 620 Ом было незначительным.

Наибольшее влияние оказывает разность между входным и выходным напряжением. Итак, можно утверждать:

Обнаруженный эффект присущ всем компенсационным стабилизаторам напряжения, он устойчив, и его можно использовать на практике.
Источником шума является внутренний источник опорного напряжения ИМС компенсационных стабилизаторов напряжения.
Ток нагрузки стабилизатора не оказывает значительного влияния на уровень шумов, если разность между выходным и входным напряжениями постоянна.
Нагрузочное сопротивление для выделения шумового сигнала оказывает незначительное влияние на уровень шумов. Увеличение этого сопротивления приводит к незначительному увеличению уровня шума. Эмпирически установлено, что это увеличение составляет не более чем кубический корень из отношения номиналов резисторов.
Наибольший рост уровня шумов дает увеличение разности между входным и выходным напряжением на выводах ИМС стабилизатора.

1.13.2. Принцип действия генераторов шума

Не все методы защиты от утечки информации, которые актуальны при рассмотрении защиты помещения, будут эффективны при защите салона автомобиля. В качестве примера можно привести микрофоны, укомплектованные устройствами передачи информации по оптическому каналу в ИК-диапазоне длин волн.

Во-первых, они требуют очень тонкой настройки, что при оперативной разведке затруднительно, во-вторых, они требуют отсутствия помех на пути луча, что обеспечить на улицах города сложно. Также затруднительно использование лазерных микрофонов для снятия информации со стекол автомобиля (по тем же причинам).

Остаются микрофоны с передачей информации по радиоканалу, стетоскопы с передачей информации по радиоканалу, диктофоны и высокочастотное навязывание.

Как правило, среди генераторов шума наиболее популярны устройства, создающие «розовый» или «белый» шум (разумеется, шум нельзя видеть в цветовой гамме).

Для оценки разборчивости речи речевой диапазон целесообразно разбивать на полосы, имеющие одинаковый коэффициент (разборчивость речи). В непрофессиональных системах используют семь октавных полос. Погрешность в расчетах значительно зависит от вида шума и при словесной разборчивости 30–80 % составляет 1–2% для «речеподобной» помехи и 3–5% для «белого» и «розового» шума, а также 15 % для шума с тенденцией спада спектральной плотности 6 дБ на октаву в сторону высоких частот.

Результаты моделирования зависимости словесной разборчивости от интегрального отношения сигнал/шум в пяти октавных полосах на наиболее важном звуковом диапазоне (180-5600 Гц) при различном виде шумовых помех представлены на рис. 1.25.

Рис. 1.25. Зависимость словесной разборчивости W от интегрального отношения сигнал/шум q в полосе частот 180-5600 Гц: 1 – «белый» шум; 2 – «розовый» шум; 3 – шум со спадом спектральной плотности 6 дБ на октаву в сторону высоких частот;4 – шумовая «речеподобная» помеха

Критерии эффективности защиты речевой информации во многом зависят от целей, преследуемых при организации защиты, к примеру скрыть смысловое содержание или скрыть тематику разговора.

Процесс восприятия речи в шуме сопровождается потерями составных элементов речевого сообщения. Так, при прослушивании фонограммы перехваченного речевого сообщения (с использованием защиты) возможно установить факт наличия речи, но нельзя установить предмет разговора. Практический опыт показывает, что выяснить основное содержание перехваченного разговора невозможно при словесной разборчивости менее 60–70 %, а краткое содержание – при словесной разборчивости менее 40–50 %. При словесной разборчивости менее 20–30 % затруднено установление даже предмета ведущегося разговора.

В табл. 1.6 приведены значения отношения сигнал/шум в октавных полосах, при которых словесная разборчивость составляет 20 %, 30 % и 40 %.

Таблица 1.6. Значения отношений сигнал/шум, при которых обеспечивается требуемая эффективность защиты акустической информации

По результатам, приведенным в табл. 1.6, видно, что наиболее эффективными являются «розовый» шум и шумовая «речеподобная» помеха. При их использовании для скрытия тематики разговора необходимо обеспечить превышение уровня помех над уровнем скрываемого сигнала в точке возможного размещения датчика на 8, 8 и 9 дБ соответственно. Для «белого» шума и шума со спадом спектральной плотности 6 дБ на октаву это значение составляет соответственно 10 и 13 дБ.

Для выбора генератора виброакустического зашумления необходимо выяснить уровень фонового шума. К примеру, уровень шума вне салона автомобиля будет равен 30–35 дБ.

Среднее значение звукоизоляции для одинарного стекла или герметичной металлической двери равно 30 дБ.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес