具有輸出噪聲信號功能的信號發生器和輸出噪聲信號的方法
2024-01-19 18:53:15 3
專利名稱：具有輸出噪聲信號功能的信號發生器和輸出噪聲信號的方法
技術領域：
本發明涉及一種具有輸出噪聲信號功能的多路信號發生器，特別涉及一種輸出的 噪聲的隨機性較高的多路信號發生器。
背景技術：
信號發生器作為常見的激勵源，已經被廣泛的應用到科學研究以及工業工程領 域。信號發生器的一個典型應用就是在實驗室中模擬各種信號，作為待測電路和系統的輸 入激勵，為測試待測電路和系統的各種性能指標提供模擬環境。傳統意義上的信號發生器 按其信號波形分為四大類(1)正弦信號發生器主要用於測量電路和系統的頻率特性、非 線性失真、增益及靈敏度等；( 函數(波形)信號發生器產生某些特定的周期性時間函 數波形(正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈衝波)信號，除可供通信、儀表和自動控制系統 測試用外，還廣泛用於其他非電測量領域；C3)脈衝信號發生器產生寬度、幅度和重複頻 率可調的矩形脈衝的發生器，可用於測試線性系統的瞬態響應，或用作模擬信號來測試雷 達、多路通信和其他脈衝數字系統的性能；(4)隨機信號發生器可用於模擬實際工作條件 中的噪聲，將產生的隨機信號引入待測系統，從而測定系統性能；可以給被測系統外加一個 已知噪聲信號與系統內部噪聲比較以測定噪聲係數；還可以用隨機信號代替正弦或脈衝信 號，以測定系統動態特性等。隨著電子技術的飛速發展，集成度越來越高，現在一般的信號發生器均可以將上 述四類信號發生器的基本功能集於一身。其中，隨機信號的產生方法有很多，大致可分為兩 類，一類是用純模擬電路產生隨機噪聲；另一類是利用微處理器和軟體系統用偽隨機序列 產生隨機噪聲。這裡提到的隨機噪聲均指白噪聲，有特殊用途的有色噪聲可通過對白噪聲 的濾波處理得到。公開號為CN85102755A的名稱為「多功能隨機信號發生器」的中國專利申請公開 說明書公開了一種多功能隨機信號發生器。下面簡要介紹該專利公開的多功能隨機信號發 生器的工作原理。請參照圖1，兩個獨立的正態白噪聲源[1]、[2]，用於產生正態分布的白 噪聲。韋布爾噪聲形成電路[3]，用於形成韋布爾白噪聲。對數-正態白噪聲形成電路W]， 用於形成對數-正態白噪聲。相關噪波形成電路[5]，用於形成各種相關性噪波。功放電 路W]，用於將產生的噪聲信號放大後輸出。噪聲參數測試電路[7]，用於指示輸出韋布爾 白噪聲的形狀及尺度參數以及其他噪波的有效電壓值。開關元件[8]、[9]，實現噪聲信號 的選擇性輸出。兩個獨立正態白噪聲源[1]、[2]產生的正態白噪聲，輸入到韋布爾白噪聲形成電 路[3]後，變為韋布爾白噪聲經功放[6]輸出，正態白噪聲經對數-正態白噪聲形成電路 [4]後，變為對數-正態白噪聲經功放[6]輸出。上述三種白噪聲經相關噪波形成電路[5] 作用及功放後，可輸出相應的相關噪波。開關元件[8]用於在上述三種白噪聲，即正態白噪 聲、韋布爾白噪聲、對數-正態白噪聲，中選擇一種作為相關噪波電路[5]的輸入或直接作為功放[6]的輸入，由開關元件[9]選擇將白噪聲或者其相關噪聲送入功放W]電路，經放 大後輸出。請參照圖2，圖2為正態白噪聲源[1]、[2]的電路圖。其中，Dl為齊納二極體，是 該電路中的關鍵部件。當齊納二極體發生雪崩擊穿時，會產生大量噪聲。利用這一特性，讓 齊納二極體工作在噪聲區，然後將產生的白噪聲電流用電晶體放大，並以射隨器做緩衝級， 即可獲得正態分布的白噪聲。但是，利用齊納二極體的反向擊穿特性，要求較好的控制反向擊穿電壓。如果加載 的電壓過低，則無法達到擊穿電壓的大小，從而無法發生反向擊穿，也就無法產生噪聲；如 果加載的電壓過大，則可能會燒壞元器件。不僅如此，溫度對反向擊穿電壓也有影響。當溫 度升高時，反向擊穿電壓會上升，而且這種影響並非嚴格線性的。這就更加加大了為齊納二 極管提供恰當的擊穿電壓的難度。另外，模擬電路產生隨機噪聲的方法還存在以下幾個問題(1)模擬電路的理論設計和實際差距較大，實際需要花費大量的時間進行調試，包 括各分立元件的匹配工作等，會大大增加項目開發時間。(2)模擬電路的抗幹擾能力較差，當外界幹擾較大時，往往會導致性能的降低。(3)模擬電路設計生產定型後，由於其器件型號和位置都已經固定，難以根據需要 對參數進行調整。現有技術為克服模擬電路的上述問題，經常採用的是利用微處理器執行程序產生 偽隨機數序列，再將偽隨機數序列進行數模轉換產生隨機噪聲。其中，偽隨機數序列是指 如果一個序列，一方面它是可以預先確定的，並且是可以重複生產和復現的；另一方面它又 具有某種隨機序列的隨機特性(即統計特性)，我們便稱這種序列為偽隨機序列。但是，該方法的缺點是，產生偽隨機數序列消耗微處理器的處理時間，且所用的隨 機序列不宜過長，這使得隨機序列的周期受此限制而非常有限，無法逼近真正意義上的隨 機序列。為克服上述兩種方法的缺點，現有技術提出了一種基於可編程邏輯器件來實現偽 隨機序列產生的方法。下面介紹一種利用FPGA產生偽隨機數序列的方法。首先，通過編程 在FPGA內部構成一個η位線性反饋移位寄存器，編程可以使用VHDL語言、Verilog語言等。 請參照圖3，該線性反饋以為寄存器1包括η個依序串聯的寄存單元 ，n-1個開關 C1 Clri，n-1個異或門D1 Dn_lt)寄存單元徹的輸出端連接到寄存單元 的輸入端，寄存 單元％的輸出端連接到寄存單元％的輸入端，以此類推至寄存單元an_2的輸出端連接到寄 存單元的輸入端。寄存單元連接到異或門Dlri的一個輸入端，異或門Dlri的輸出端 連接到異或門Dn_2的一個輸入端，以此類至異或門D1的輸出端連接至寄存單元徹的輸入端。 寄存單元an_2的輸出端經過開關Clri連接到異或門Dlri的另一個輸入端，寄存單元an_2的輸 出端經過開關Clri連接到異或門Dlri的另一個輸入端，以此類推至寄存單元的輸出端經 過開關C1連接到異或門D1的另一個輸入端。對於開關C1-Clri，連通則用值為1來表示，斷開則用值為0來表示。另外，增加 C0 = 1用來表示異或門D1的輸出端連接至寄存單元的輸入端，增加Cn= i用來表示寄存 單元連接到異或門Dlri的一個輸入端。這樣，上述Ctl Cn的值則反映了線性反饋以為 寄存器1的反饋連接狀態。用多項式f(x)來描述線性反饋移位寄存器的反饋連接狀態
/(X) 二 C0 + C1X +----h CnXn - ^ CiX1
/=0若該η次多項式f (χ)滿足下列條件(l)f (χ)為既約多項式(即不能分解因式的多項式)；(2) f (χ)可整除(xp+1)，ρ = 2n-l ；(3) f (χ)除不盡(xq+Ι)，q a24中的值反饋進行異或操作，並將操作結果作為寄存單元的輸入即可。當線性反饋移位寄存器1各個寄存單元的初始值為全0時，線性反饋網絡就失去 了作用，輸出序列一直為0，因此移位寄存器的初始值不能為0，需要賦予線性反饋移位寄 存器1一個非零初始值。一般而言，可以為線性反饋移位寄存器1配置一個固定的非零初 始值來解決上述問題。但是，線性反饋移位寄存器1為固定的非零初始值的條件下，線性反饋移位寄存 器1每次上電開始移位時都是從該固定的非零初始值開始的，又由於偽隨機數序列的特點 是周期性的，因此，線性反饋移位寄存器1每次上電後輸出的偽隨機數序列是相同的，這難 以滿足使用者對噪聲信號隨機性的要求。
發明內容
為了解決現有技術產生噪聲的隨機性較低的問題，本發明提供一種產生噪聲隨機 性較高的信號發生器。同時，本發明還提供一種產生噪聲隨機性較高的輸出噪聲信號的方法。一種具有輸出噪聲信號功能的信號發生器，所述信號發生器包括一個控制單元、一個輸入單元、一個非易失性存儲器、一個波形處理單元和一個數模轉換單元，所述輸入單 元、所述非易失性存儲器和所述波形處理單元分別與所述控制單元相連接，所述數模轉換 單元與所述波形處理單元相連接，所述非易失性存儲器存儲有特徵參數，所述特徵參數包 括開機次數，所述控制單元用於產生一個與所述開機次數相關聯的初始值，所述波形處理 單元用於利用所述初始值來產生偽隨機數序列，所述數模轉換單元用於將所述偽隨機數序 列進行數模轉換。一種用於如上述的信號發生器的輸出噪聲信號的方法，包括如下步驟產生與所 述信號發生器的特徵參數中的開機次數相關聯的一個初始值；利用所述初始值來產生偽隨 機數序列；將所述偽隨機數序列進行數模轉換。本發明信號發生器和輸出噪聲信號的方法的優點在於由於信號發生器產生一個 與開機次數相關聯的初始值，而開機次數在每次開機上電後會發生改變，因此可以保證信 號發生器每次開機後所獲得的初始值與上一次開機後所獲得的初始值不同，這樣就改善了 用戶在多次使用信號發生器時產生噪聲相同的問題，使得產生噪聲的隨機性較高。
圖1是現有技術信號發生器的模塊結構示意圖。
圖2是為正態白噪聲源[1]、[2]的電路圖。
圖3是線性反饋以為寄存器的模塊結構示意圖。
圖4是線性反饋以為寄存器的另一種輸出方式的示意圖。
圖5是線性反饋以為寄存器一種反饋連接狀態配置的示意圖。
圖6是線性反饋以為寄存器另一種反饋連接狀態配置的示意圖。
圖7是本發明第一實施方式的信號發生器2的模塊結構示意圖。
圖8是信號發生器2的120位的線性反饋移位寄存器251的模塊結構示意圖。
圖9是信號發生器2工作的步驟流程圖。
圖10是本發明第二實施方式信號發生器工作原理示意圖。
具體實施例方式下面介紹本發明信號發生器的第一實施方式。請參照圖7，該信號發生器2包括一個控制單元21、一個非易失性存儲器22、一個 接口單元23、一個輸入單元24、一個波形處理單元25和一個數模轉換單元26。非易失性存 儲器22、接口單元23、輸入單元對、波形處理單元25分別連接到控制單元21，數模轉換單 元沈連接到波形處理單元25。控制單元21負責接收並解析輸入單元M輸入的指令信息、負責控制接口單元23 進行數據發送和接受工作、控制對非易失性存儲器22中保存的數據進行讀取和存儲工作、 以及負責根據該指令信息對波形處理單元25和數模轉換單元沈進行配置等工作。波形處 理單元25負責產生一個對應輸出波形的數字序列，數模轉換單元沈負責將所述數字序列 進行數模轉換，進而輸出模擬形式的波形。在本實施方式當中，控制單元21由DSP構成，非易失性存儲器22快閃記憶體(FLASH)構 成，接口單元23包括LAN、GPIB、USB，輸入單元M由鍵盤構成，波形處理單元25由FPGA構成，數模轉換單元26由DAC構成。請一起參照圖7和圖8，波形處理單元25通過編程配置有一個120位的線性反饋 移位寄存器251，線性反饋移位寄存器251以本原多項式f(x) = x120+x113+x9+x2+l的係數來 配置。並且取出線性反饋移位寄存器251的低14位作為數字序列輸出至數模轉換單元沈 用於數模轉換。請再參照圖7，非易失性存儲器22中存儲有特徵參數221，該特徵參數221包括開 機次數222和產品序列號223。開機次數222為信號發生器2開機上電的次數，開機次數 222每關機掉電再開機上電一次後，開機次數222的值便加1。產品序列號223為該信號發 生器2 —個固定數字，任何兩臺該信號發生器2產品的產品序列號223均不相同。當信號發生器2開機上電以後，如果信號發生器2通過輸入單元M被設置成開機 默認輸出噪聲狀態，或者，如果用戶通過輸入單元M輸入一個輸出噪聲命令後，信號發生 器2按照如下流程工作，請一併參照圖7至圖9 :步驟Sl 控制單元21產生一個與開機次數222和產品序列號223相關聯的初始 值；控制單元21從非易失性存儲器22中讀取開機次數222和產品序列號223，產 生一個與線性反饋移位寄存器251位數相同的初始值。在本實施例中，開機次數222為 一個32bit數，例如當前開機20次用十六進位數可以表示為00000014。產品序列號223 為一個 72bit 數，例如為 000901040000020208。將 00000014 加在 000901040000020208 的後面可以得到104位數，再將00000014前面16位補0，即可以得到120位初始值 000000090104000002020800000014。作為變形，還可以將00000014的高位補1，即可以得到120位初始值 111100090104000002020800000014。步驟S2 波形處理單元251利用所述初始值來產生偽隨機數序列；控制單元21將該初始值發送給波形處理單元25，波形處理單元25將該初始值加 載到線性反饋移位寄存器251，並使線性反饋移位寄存器251開始移位，不斷產生偽隨機數 序列。在本實施例當中，0x000000000000000000000000000014被加載到線性反饋移位寄存 器251的120位上，雖然可以推知，上一次開機所獲得的初始值為0x00000000000000000000 0000000013，雖然兩個初始值僅僅差1，但是由於相鄰數在偽隨機數序列中的位置一般不連 續，所以就實現了從偽隨機數序列中不同位置開始移位的目的。步驟S3 數模轉換單元沈將該偽隨機數序列進行數模轉換。在本實施例中，取出線性反饋移位寄存器251每次移位後寄存器中低14位數，數 模轉換單元沈將每次取出的低14位數進行數模轉換，得到連續的模擬噪聲信號。作為變形，根據實際需要，還可以取出線性反饋移位寄存器251每次移位後寄存 器的全部120位數，也可以取出線性反饋移位寄存器251的任意寄存器的數來進行數模轉 換。本實施方式信號發生器的優點在於由於信號發生器2的控制單元21產生一個與 開機次數222和產品序列號223相關聯的初始值，而開機次數222在每次開機上電後會發 生改變，每臺信號發生器2的產品序列號223又各不相同，因此可以保證兩點一、一臺信號 發生器2每次開機後所獲得的初始值與上一次開機後所獲得的初始值不同；二、任意兩臺
7信號發生器2在同樣的開機次數下所獲得的初始值也不相同。這樣就改善了用戶在單獨多 次使用一臺信號發生器2、或者同時使用多臺信號發生器2產生噪聲相同的問題。作為變形實施方式，信號發生器2可以在開機上電後便開始執行步驟Sl和S2使 線性反饋移位寄存器開始移位。當用戶通過輸入單元M輸入一個輸出噪聲命令後，信號發 生器2執行步驟S3開始輸出噪聲。上述變形實施方式的優點在於請參照圖10，即便假設一臺信號發生器2兩次開 機時、或者兩臺信號發生器2開機時所獲得的初始值是相同的，即線性反饋移位寄存器是 從m序列的同一個位置開始移位的，例如都是在圖10中、時刻開始從初始值Dtl開始移位， 但是由於用戶通過輸入單元M輸入輸出噪聲命令的時間點是隨機的，當一臺信號發生器2 兩次開機後不同時間、、t2輸入輸出噪聲命令、或者兩臺信號發生器2開機後不同時間、、 t2輸入輸出噪聲命令，又由於m序列是周期性的，這使得、、t2所對應的值D」D2是不同的， 因此進一步降低了輸出噪聲相同的可能。
權利要求
1.一種具有輸出噪聲信號功能的信號發生器，其特徵在於所述信號發生器包括一個 控制單元、一個輸入單元、一個非易失性存儲器、一個波形處理單元和一個數模轉換單元， 所述輸入單元、所述非易失性存儲器和所述波形處理單元分別與所述控制單元相連接，所 述數模轉換單元與所述波形處理單元相連接，所述非易失性存儲器存儲有特徵參數，所述 特徵參數包括開機次數，所述控制單元用於產生一個與所述開機次數相關聯的初始值，所 述波形處理單元用於利用所述初始值來產生偽隨機數序列，所述數模轉換單元用於將所述 偽隨機數序列進行數模轉換。
2.根據權利要求1所述的信號發生器，其特徵在於所述特徵參數還包括一個產品序 列號，所述初始值還與所述產品序列號相關聯。
3.根據權利要求2所述的信號發生器，其特徵在於所述初始值等於所述開機次數與 所述產品序列號的組和。
4.根據權利要求1所述的信號發生器，其特徵在於在所述信號發生器上電之後，所述 控制單元產生所述初始值，所述波形處理單元產生偽隨機數序列，在所述輸入單元收到一 個輸出噪聲命令後，所述數模轉換單元再將所述偽隨機數序列進行數模轉換。
5.根據權利要求1所述的信號發生器，其特徵在於所述波形處理單元包括一個用於 產生M序列的線性反饋移位寄存器，將所述初始值作為所述線性反饋移位寄存器的初始 值，將所述線性反饋移位寄存器不斷移位而獲得所述偽隨機數序列。
6.一種用於如權利要求1所述的信號發生器的輸出噪聲信號的方法，包括如下步驟產生與所述信號發生器的特徵參數中的開機次數相關聯的一個初始值；利用所述初始值來產生偽隨機數序列；將所述偽隨機數序列進行數模轉換。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於所述特徵參數還包括一個產品序列號，所 述初始值還與所述產品序列號相關聯。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於所述規則為所述初始值等於所述開機次 數與所述產品序列號的組合。
9.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於在所述信號發生器上電之後便執行步驟 「產生一個與開機次數相關聯的初始值」和「利用所述初始值來產生偽隨機數序列」，在收到 一個輸出噪聲命令後再執行步驟「將所述偽隨機數序列進行數模轉換」。
10.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於所述利用所述初始值來產生偽隨機數序 列的步驟是將所述初始值作為一個用於產生M序列的線性反饋移位寄存器的初始值，將 所述線性反饋移位寄存器不斷移位而獲得所述偽隨機數序列。
全文摘要
本發明公開了一種具有輸出噪聲信號功能的信號發生器2，信號發生器2包括控制單元21、輸入單元24、非易失性存儲器22、波形處理單元25和數模轉換單元26，輸入單元24、非易失性存儲器22和波形處理單元25分別與控制單元21相連接，數模轉換單元26與波形處理單元25相連接，非易失性存儲器22存儲有特徵參數221，特徵參數包括開機次數222，控制單元21用於產生一個與開機次數222相關聯的初始值，波形處理單元25用於利用初始值來產生偽隨機數序列，數模轉換單元26用於將偽隨機數序列進行數模轉換。本發明信號發生器2改善了用戶在多次使用信號發生器時產生噪聲相同的問題。
文檔編號H03K5/00GK102111129SQ20091024314
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月28日 優先權日2009年12月28日
發明者李維森, 王悅, 王鐵軍 申請人:北京普源精電科技有限公司