CN107425813A

CN107425813A - 一种起止频率可设置的白噪声产生方法及装置

Info

Publication number: CN107425813A
Application number: CN201710321193.4A
Authority: CN
Inventors: 陈亮
Original assignee: Chengdu Micro Technology Co Ltd
Current assignee: Chengdu Micro Technology Co Ltd
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2017-12-01

Abstract

本发明公开了一种起止频率可设置的白噪声产生方法及装置，包括：步骤1：定义一个64位的移位寄存器；步骤2：根据本原多项式进行计算；步骤3：移位寄存器左移一位，送入移位寄存器的最低位，每个时钟循环执行步骤2和步骤3；步骤4：每个时钟从移位寄存器中选择14位连续的寄存器数据组成14位有符号数据；步骤5：对数据做FFT变换，得到多个复数；步骤6：根据设置的带宽，确定信号的起止频率；在频域滤波时，对于带外的频点，复数的实部和虚部都取0；步骤7：对复信号做IFFT反变换，得到时域信号，并通过DA输出，实现了采用数字信号的方式方便的实现任意带宽的白噪声信号，对硬件成本要求不高，实现方式简单，成本较低的技术效果。

Description

一种起止频率可设置的白噪声产生方法及装置

技术领域

本发明涉及白噪声信号研究领域，具体地，涉及一种起止频率可设置的白噪声产生方法及装置。

背景技术

白噪声是一种随机过程，它的瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的。

随机变量X(t)(t＝1,2,3......)，如果是由一个不相关的随机变量的序列构成的，即对于所有S不等于T，随机变量Xt和Xs的协方差为零，则称其为纯随机过程。对于一个纯随机过程来说，若其期望为0，方差为常数，则称之为白噪声过程。白噪声过程的样本实称为白噪声序列。

在工程应用和实践中，只能用类似于带限白噪声统计特性的伪随机码信号来逼近。用模拟的方式很难实现带宽可任意设置的白噪声信号，这对滤波器的要求很高，成本压力也大。并且对体积和功耗要求苛刻的应用场合无法实现。m序列就具有类似白噪声性质的数据。

发明内容

本发明提供了一种起止频率可设置的白噪声产生方法及装置，解决了现有的白噪声产生存在的对滤波器的要求很高，成本压力大，实现条件苛刻技术问题，实现了采用数字信号的方式方便的实现任意带宽的白噪声信号，对硬件成本要求不高，实现方式简单，成本较低的技术效果。

一个随机序列应该具有两个方面的特点：一是具有预先不可确定性，并且是不可重复实现的；二是它具有某种随机的统计特性。

大部分伪随机码都是周期码，可以人为地产生与复制，通常由二进制移位寄存器来产生。由于这种码均有类似白噪声的性质。

在工程应用中，常用二元域{0，1}内的0元素与1元素的序列来表示伪随机码。m序列是一种伪随机序列，它具有下面3个随机特性：

(1)0-1分布特性。在一个周期N＝2^r-1内，0元素出现(N-1)/2＝2^(r-1)-1次，1元素出现(N+1)/2＝2^(r-1)次，1元素比0元素多出现一次。

游程特性。在一个周期N＝2^r-1内,共有2^(r-1)个元素游程，其中0元素的游程与1元素的游程数目各占一半；长度为k(1≤k≤r-2)的元素游程占游程总数的1/2^k，即有2^(r-k-1)个；长度为r-1的元素游程只有一个，为0元素游程；长度为r的元素游程也只有一个，为1元素的游程。

位移相加特性。m序列{a_i}与其位移序列{a_i+τ}的模2加序列仍是该m序列的另一位移序列{a_i+τ’}。

构造一个产生m序列的线性移位寄存器，首先要确定本原多项式。本原多项式确定后，根据本原多项式可构造出m序列移位寄存器的结构逻辑图。

m序列又叫做最大长度线性反馈移位寄存器序列，m序列产生器的一般结构如图1所示。其中1,2,3,…,n是移位寄存器的编号，a_k-i(i＝1,2,…,n)是各移位寄存器的状态，c_i＝1表示该级移位寄存器参加反馈，c_i＝0表示该级移位寄存器不参加反馈。图1中c₀和c_n不能等于0，因为c₀＝0意味着移位寄存器无反馈，而c_n＝0意味着反馈移位寄存器要蜕化为n-1或更少级的反馈移位寄存器。

图1可见，第一级移位寄存器在下一刻的状态是由相关移位寄存器在当前时刻的状态经反馈后共同决定的，即反馈系数为:

a_k＝c₁a_k-1+c₂a_k-2+……+c_na_k-n(模2加)

本原多项式决定了c₁,c₂,..c_n系数的取值。在本设计中取r＝64，本原多项式为：x^64+x^4+x^3+x+1。则m序列周期为：2^64-1。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种起止频率可设置的白噪声产生方法，所述方法包括：

步骤1：定义一个64位的移位寄存器shift_dat[63:0]，初始值为64’h1；设计为64位的移位寄存器原因是要产生的序列的周期重复时间间隔很长，这样时域信号的随机性更好。在采样时钟为200MHz时，64位移位寄存器产生的m序列的周期为2924年；

步骤2：根据本原多项式f₆₄(x)＝x^64+x^4+x^3+x+1，计算shift_dat[0]<＝shift_dat[0]^shift_dat[1]^shift_dat[3]^shift_dat[4]^shift_dat[64]；

步骤3：移位寄存器shift_dat[63:0]左移一位，shift_dat[0]送入移位寄存器shift_dat[63:0]的最低位，每个时钟循环执行步骤2和步骤3；

步骤4：每个时钟从移位寄存器shift_dat[63:0]中选择14位连续的寄存器数据组成14位有符号数据dout[13:0]；选择14位有符号数据是因为DA芯片的数据是14位；

步骤5：对数据dout[13:0]做FFT变换，得到多个复数a+b*i；每个复数对应一个频率点；第一个点为零频，第二个点为24KHz；则第n点表示的频率为24*(n-1)KHz。

步骤6：根据设置的带宽，确定信号的起止频率；在频域滤波时，对于带外的频点，复数的实部和虚部都取0；

步骤7：对复信号做IFFT反变换，得到时域信号，并通过DA输出。

进一步的，步骤4中取移位寄存器shift_dat[63:0]中的57位～44位。程序中任意选择64位中的连续14位值。因为选择的DA的位数为14位,在64位移位寄存器中可任意选择连续的14位数据。

进一步的，对数据dout[13:0]做8192点FFT变换，得到8192点复数a+b*i；每个复数对应一个频率点；每个复数代表一个频率；频率分辨率为：24KHz(200MHz/8192)；第一个点为零频，第二个点为24KHz；则第n点表示的频率为24*(n-1)KHz。把时域信号转换成频域信号后可以实时的对信号的起止频率进行任意设定(1/2采样频率范围内)。

进一步的，所述方法在FPGA模块中实现，FPGA模块的采样时钟频率为200MHz。采用200MHz的时钟是因为白噪声的带宽小于100MHz。

另一方面，本申请还提供了一种起止频率可设置的白噪声产生装置，所述装置包括：

FPGA模块、DAC模块、单片机模块，所述DAC模块、单片机模块均与所述FPGA模块连接，所述FPGA模块采用权利要求1-4中的方法产生白噪声信号，然后经过DAC模块进行转换输出，单片机模块对FPGA模块进行参数配置及控制。

进一步的，所述装置还包括依次连接的：低通滤波器、混频器、带通滤波器、放大器、程控衰减器，DAC模块与低通滤波器连接。DAC输出的信号需要通过低通滤波器进行平滑滤波，然后通过混频器上变频到所需要的信号频段，带通滤波器是滤出带外杂波。通过放大器和程控衰减器来控制输出的信号功率。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

解决了现有的白噪声产生存在的对滤波器的要求很高，成本压力大，实现条件苛刻技术问题，实现了采用数字信号的方式方便的实现任意带宽的白噪声信号，对硬件成本要求不高，实现方式简单，成本较低的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中反馈移位寄存器的结构示意图；

图2是本申请中起止频率可设置的白噪声产生装置的原理框图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本申请提供了一种起止频率可设置的白噪声产生方法及装置，装置中FPGA选择Xilinx的A7系列XC7A100T-FTG256-2。DAC选择ADI公司的14位250MSPS的AD9746。FPGA的工作采样时钟工作在200M。根据奈奎斯特采样定理，频谱范围为0-100MHz。原理框图2所示。

本申请中的方法是在FPGA中实现的。采样时钟频率为200MHz。

定义一个64位的移位寄存器shift_dat[63:0]，初始值为64’h1；

根据本原多项式f64(x)＝x^64+x^4+x^3+x+1,计算shift_dat[0]<＝shift_dat[0]^shift_dat[1]^shift_dat[3]^shift_dat[4]^shift_dat[64]；

移位寄存器shift_dat[63:0]左移一位，shift_dat[0]送入移位寄存器shift_dat[63:0]的最低位。每个时钟循环执行2，3步；

每个时钟从移位寄存器shift_dat[63:0]中选择14位连续的寄存器数据组成14位有符号数据dout[13:0]；本设计中取移位寄存器shift_dat[63:0]中的57位～44位。

对数据dout[13:0]做8192点FFT变换，得到8192点复数a+b*i。每个复数对应一个频率点。每个复数代表一个频率。频率分辨率为：24KHz(200MHz/8192)。第一个点为零频，第二个点为24KHz。则第n点表示的频率为24*(n-1)KHz。因为频谱对应于1/2采样频率对称，因此只计算前4096点。

根据设置的带宽，确定信号的起止频率。在频域滤波时，对于带外的频点，复数的实部和虚部都取0。

对复信号做8192点IFFT反变换，得到时域信号，并通过DA输出。

采样时钟为200MHz，时钟周期为5ns。r取64，m序列的周期为18446744073709551616。对应数据的周期为2924年。

r＝64时，获得m序列的输出数据，从64位移位寄存器中选择连续的14位寄存器(57～44位)组成14位的有符号的数据输出到DA。把这14位DA数据导入matlab中做FFT变换，进行频域分析，获得频谱。

从频谱分析可以看出在0-100M的范围内，频谱随机分布，具有类似白噪声的性质。

通过数字滤波器对起止频率滤波，得到不同带宽的白噪声信号。由于时域滤波器对抑制度的要求需要很高的阶数，FPGA可能处理不过来。并且不同带宽的滤波器系数也不能实时计算出来。采用频域滤波的方式，对频带外的抑制不用考虑滤波器的阶数，并且对带外的抑制达到最优。可以在0-100MHz的范围内任意实时计算带宽。频域滤波是先对输入的时域数据做FFT变换，变换成频域数据。根据带宽要求，置零相应的频域I,Q数据。再做IFFT变换，把频域信号变换成时域数据。在对时域信号做FFT时，采样点数影响频率的分辨率。对于200MHz采样时钟，8192点采样数据，做FFT后生成8192个复数a+b*i。每个复数代表一个频率。频率分辨率为：24KHz。

第一个点为零频，第二个点为24KHz。则第n点表示的频率为24*(n-1)KHz。在频域滤波时，对于不需要的频点，复数的实部和虚部都取0。再经过IFFT变换成时域信号通过DA输出。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种起止频率可设置的白噪声产生方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：定义一个64位的移位寄存器shift_dat[63:0]，初始值为64’h1；

步骤4：每个时钟从移位寄存器shift_dat[63:0]中选择14位连续的寄存器数据组成14位有符号数据dout[13:0]；

步骤6：根据设置的带宽，确定信号的起止频率；在频域滤波时，对于频带外的频点，复数的实部和虚部都取0；

2.根据权利要求1所述的起止频率可设置的白噪声产生方法，其特征在于，步骤4中取移位寄存器shift_dat[63:0]中的57位～44位。

3.根据权利要求1所述的起止频率可设置的白噪声产生方法，其特征在于，对数据dout[13:0]做8192点FFT变换，得到8192点复数a+b*i；每个复数对应一个频率点；每个复数代表一个频率；频率分辨率为：24KHz(200MHz/8192)；第一个点为零频，第二个点为24KHz；则第n点表示的频率为24*(n-1)KHz。

4.根据权利要求1所述的起止频率可设置的白噪声产生方法，其特征在于，所述方法在FPGA模块中实现，FPGA模块的采样时钟频率为200MHz。

5.一种起止频率可设置的白噪声产生装置，其特征在于，所述装置包括：

6.根据权利要求5所述的起止频率可设置的白噪声产生装置，其特征在于，所述装置还包括依次连接的：低通滤波器、混频器、带通滤波器、放大器、程控衰减器，DAC模块与低通滤波器连接。