CN110764734A - 一种真随机数产生高斯白噪声的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子技术领域，具体为一种真随机数产生高斯白噪声的装置及方法。所述装置包括真随机数产生模块、Box‑Muller转换器、功率控制器、D/A转换器、低通滤波器、线性放大器、数字锁相环。本发明采用光查找表结构实现了均匀白噪声到高斯白噪声的高速转化过程；采用了数字锁相环和功率控制器，实现了带宽和功率可变、可控的高精度高斯白噪声；采用了真随机数生成器生成均匀白噪声，有效解决了伪随机数具有周期性和可预测性的缺点，实现了高精度、分布特性良好、带宽和功率可变的高斯白噪声产生；采用Box‑Muller算法实现了均匀白噪声到高斯白噪声的转化，有效节约了RAM资源。

Description

一种真随机数产生高斯白噪声的装置及方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体为一种真随机数产生高斯白噪声的装置及方法。
背景技术
白噪声是一种通频带噪声信号，其中高斯白噪声的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的。高斯白噪声是很好的噪声源之一，可用于通信系统等的噪声干扰。以往的高斯白噪声发生器中的均匀白噪声是由伪随机数产生的，伪随机数的主要缺点是具有周期性和可预测性，不是真正的随机数，会在通信和电子对抗领域应用中影响结果的精确度。
目前，高斯白噪声发生器主要有物理噪声发生器和数字噪声发生器两类。其中，数字高斯白噪声发生器的设计一般分为两步，首先生成均匀白噪声，然后实现均匀白噪声到高斯白噪声的转化。在均匀白噪声的生成阶段，之前使用的都是伪随机数生成器，方法包括线性同余法(Linear Congruential Generator, LCG)、移存器法(Shift-RegisterGenerator, SRG)和延迟斐波那契法(Lagged-Fibonacci Generator, LFG)等产生伪随机数。在均匀白噪声到高斯白噪声的转化阶段，通常可通过公式法将均匀白噪声转换为高斯白噪声，但是在公式法中，由于计算过程比较复杂，计算量较大，需要的资源较多。
发明内容
本发明为解决背景技术中提出的现有伪随机数产生高斯白噪声所存在的缺点，提出了一种真随机数产生高斯白噪声的装置及方法。
本发明所述的一种真随机数产生高斯白噪声的装置是采用以下技术方案实现的：一种真随机数产生高斯白噪声的装置，包括真随机数产生模块、Box-Muller转换器、功率控制器、D/A转换器、低通滤波器、线性放大器、数字锁相环；真随机数产生模块输出端口与Box-Muller转换器的输入端口相连；功率控制器的输入端口与Box-Muller转换器的输出端口相连，功率控制器的输出端口与D/A转换器的输入端口相连；低通滤波器的输入端口与D/A转换器的输出端口相连，低通滤波器的输出端口与线性放大器的输入端口相连；线性放大器的输出端口输出高速、高质量的高斯白噪声模拟信号；数字锁相环分三路输出，分别连接真随机数产生模块、功率控制器和D/A转换器。
本发明所述装置的工作流程如下：真随机数产生模块通过输入的噪声参数产生真随机数，经过Box-Muller转换器转换成数字高斯白噪声，通过功率控制器和数字锁相环控制高斯白噪声的功率和带宽，经过D/A转换器将数字高斯白噪声转换成模拟高斯白噪声，再经过低通滤波器滤波，线性放大器放大后输出高速、高质量的高斯白噪声模拟信号。
进一步的，所述Box-Muller转换器是利用光查找表结构实现的，包括第一电光调制器和第二电光调制器；真随机数产生模块产生两路独立同分布的真随机数，分别输入到第一电光调制器和第二电光调制器中；第一电光调制器的输出端顺次连接有第一CAM表和第一RAM表；第二电光调制器的输出端顺次连接有第二CAM表和第二RAM表；第一RAM表和第二RAM表共同连接光电探测器，光电探测器的信号输出端连接有乘法器；所述乘法器的信号输出端与功率控制器的信号输入端相连接。
光查找表结构的布局是，CAM表以匹配线的形式存储已知的目标地址，而RAM表存储相应的内容。当数据包到达时，它的目标地址(称为“搜索词”)被广播到CAM表中的所有匹配线，以便进行快速的位并行比较。当数据包地址与存储在CAM匹配线中的地址相同，即找到匹配的地址时，将激活对相应RAM行的读取操作，以获得与地址相对应的内容。
本发明所述的一种真随机数产生高斯白噪声的产生装置，具有以下有益效果：
1、本发明采用光查找表结构实现了均匀白噪声到高斯白噪声的高速转化过程；
2、本发明采用了数字锁相环和功率控制器，实现了带宽和功率可变、可控的高精度高斯白噪声。
本发明所述的一种真随机数产生高斯白噪声的方法是采用如下技术方案实现的：一种真随机数产生高斯白噪声的方法，包括如下步骤：真随机数产生模块产生两路独立同分布的均匀白噪声，分别输入至光查找表结构，Box-Muller算法使用光查找表结构查找预存的映射表，将所述均匀白噪声转化为高斯白噪声；光查找表结构的工作流程如下：将两路真随机数分别经过第一电光调制器和第二电光调制器转换后在第一CAM表和第二CAM表中搜索，然后把从第一RAM表和第二RAM表中检索到的内容经过光电探测器转换后送到乘法器，从乘法器输出端输出数字高斯白噪声。
进一步的，CAM表包括光学触发器和光学XOR门，触发器负责存储CAM单元的内容位，CAM表输出的信号作为控制信号馈送到半导体光放大器(SOA)，作为开关门操作，并作为电子SA(放大器)的光子替代品。
本发明的真随机数产生高斯白噪声的产生方法，具有以下有益效果：
1、本发明采用了真随机数生成器生成均匀白噪声，有效解决了伪随机数具有周期性和可预测性的缺点，实现了高精度、分布特性良好、带宽和功率可变的高斯白噪声产生，提高了输出白噪声的质量；
2、本发明采用Box-Muller算法实现了均匀白噪声到高斯白噪声的转化，并硬件实现了Box-Muller算法，有效节约了RAM资源。
附图说明
图1本发明所述装置的总体原理图。
1-真随机数产生模块、2-Box-Muller转换器、3-功率控制器、4-D/A转换器、5-低通滤波器、6-线性放大器、7-数字锁相环。
图2本发明所述光查找表结构原理图。
21a-第一真随机数、21b-第二真随机数、22a-第一电光调制器、22b-第二电光调制器、23a-第一CAM表、23b-第二CAM表、24a-第一RAM表、24b-第二RAM表、25-光电探测器、26-乘法器、27-光学XOR门、28-光学触发器、29-半导体光放大器。
具体实施方式
如图1所示，一种真随机数产生高斯白噪声的装置，包括真随机数产生模块1、Box-Muller转换器2、功率控制器3、D/A转换器4、低通滤波器5、线性放大器6、 数字锁相环7；噪声参数从A端输入，真随机数产生模块1输出端口与Box-Muller转换器2的输入端口相连；功率控制器3的输入端口与Box-Muller转换器2的输出端口相连，功率控制器3的输出端口与D/A转换器4的输入端口相连；低通滤波器5的输入端口与D/A转换器4的输出端口相连，低通滤波器5的输出端口与线性放大器6的输入端口相连；线性放大器6的输出端口输出高速、高质量的高斯白噪声模拟信号；数字锁相环7分三路输出，分别连接真随机数产生模块1、功率控制器3和D/A转换器4。采用了数字锁相环和功率控制器，实现了带宽和功率可变、可控的高精度高斯白噪声。
如图2所示，所述Box-Muller转换器2是利用光查找表结构实现的，包括第一电光调制器22a和第二电光调制器22b；真随机数产生模块1产生两路独立同分布的真随机数，分别输入到第一电光调制器22a和第二电光调制器22b中；第一电光调制器22a的输出端顺次连接有第一CAM表23a和第一RAM表24a；第二电光调制器22b的输出端顺次连接有第二CAM表23b和第二RAM表24b；第一RAM表24a和第二RAM表24b共同连接光电探测器25，光电探测器25的信号输出端连接有乘法器26；所述乘法器26的信号输出端与功率控制器3的信号输入端相连接。采用光查找表结构，实现了均匀白噪声到高斯白噪声的高速转换过程。
真随机数产生模块1采用基于自治布尔网络的真随机数发生器。
一种真随机数产生高斯白噪声的产生方法，包括以下步骤：均匀白噪声生成步骤，通过真随机数发生器以产生均匀白噪声；以及高斯白噪声生成步骤，查找预存的映射表，将所述均匀白噪声转化为高斯白噪声，特征是使用Box-Muller算法和光查找表结构。光查找表结构的工作流程如下：由于使用的是光查找表结构，需要对数据进行电和光之间的转换，电光转换用电光调制器(EOM)，光电转换用光电探测器(PD)。将两组真随机数分别经过EOM转换后在第一CAM表和第二CAM表中搜索，然后把从第一RAM表和第二RAM表中检索到的内容经过PD转换后送到乘法器，从C端输出数字高斯白噪声。其中，CAM单元（表）包括光学触发器和光学XOR门，触发器负责存储CAM单元的内容位，CAM单元输出的信号作为控制信号馈送到半导体光放大器(SOA)，作为开关门操作，并作为电子SA(放大器)的光子替代品（如图2所示）。
本发明采用基于自治布尔网络的真随机数产生均匀白噪声。
使用Box-Muller算法实现均匀白噪声到高斯白噪声的转换。
本发明为了解决背景中提出的伪随机数产生高斯白噪声所造成的缺点，提出了一种真随机数产生高斯白噪声的装置及方法，以往的高斯白噪声发生器中的均匀白噪声是由伪随机数产生的，伪随机数的主要缺点是具有周期性和可预测性，不是真正的随机数，会在通信和电子对抗领域应用中影响结果的精确度。利用真随机数产生均匀白噪声，利用Box-Muller算法实现均匀白噪声到高斯白噪声的转换，有效节约了RAM资源，同时采用光查找表结构实现均匀白噪声到高斯白噪声的映射，实现了均匀白噪声到高斯白噪声的高速转化过程。
数字高斯白噪声发生器的设计一般分为两步，首先生成均匀白噪声，然后实现均匀白噪声到高斯白噪声的转化。在均匀白噪声的生成阶段，之前使用的都是伪随机数生成器，这里介绍的高斯白噪声发生器使用的是真随机数生成器，真随机数生成方法主要包含电路热噪声放大、振荡采样法、混沌信号等方法。在均匀白噪声到高斯白噪声的转化阶段，通常可通过公式法将均匀白噪声转换为高斯白噪声，这里采用的是Box-Muller算法。在均匀白噪声到高斯白噪声的转化阶段，在公式法中，由于计算过程比较复杂，计算量较大，需要的资源较多，所以需要本申请所提到的处理速度较快的查找表结构。
本发明采用真随机数产生高质量、高精度的高斯白噪声，高斯白噪声的分布特性与理论特性具有良好的一致性；另外,本发明使用光查找表结构实现高速读取数据，并且本发明还具有结构简单、易于操作等特点。

Claims (5)

1.一种真随机数产生高斯白噪声的装置，其特征在于，包括真随机数产生模块（1）、Box-Muller转换器（2）、功率控制器（3）、D/A转换器（4）、低通滤波器（5）、线性放大器（6）、数字锁相环（7）；其特征在于：真随机数产生模块（1）输出端口与Box-Muller转换器（2）的输入端口相连；功率控制器（3）的输入端口与Box-Muller转换器（2）的输出端口相连，功率控制器（3）的输出端口与D/A转换器（4）的输入端口相连；低通滤波器（5）的输入端口与D/A转换器（4）的输出端口相连，低通滤波器（5）的输出端口与线性放大器（6）的输入端口相连；线性放大器（6）的输出端口输出高速、高质量的高斯白噪声模拟信号；数字锁相环（7）分三路输出，分别连接真随机数产生模块（1）、功率控制器（3）和D/A转换器（4）。
2.如权利要求1所述的一种真随机数产生高斯白噪声的装置，其特征在于，所述Box-Muller转换器（2）是利用光查找表结构实现的，包括第一电光调制器（22a）和第二电光调制器（22b）；真随机数产生模块（1）产生两路独立同分布的真随机数分别输入到第一电光调制器（22a）和第二电光调制器（22b）中；第一电光调制器（22a）的输出端顺次连接有第一CAM表（23a）和第一RAM表（24a）；第二电光调制器（22b）的输出端顺次连接有第二CAM表（23b）和第二RAM表（24b）；第一RAM表（24a）和第二RAM表（24b）共同连接光电探测器（25），光电探测器（25）的信号输出端连接有乘法器（26）；所述乘法器（26）的信号输出端与功率控制器（3）的信号输入端相连接。
3.如权利要求2所述的一种真随机数产生高斯白噪声的装置，其特征在于，真随机数产生模块（1）采用基于自治布尔网络的真随机数发生器。
4.一种真随机数产生高斯白噪声的方法，采用如权利要求2或3所述装置来实现，其特征在于，包括如下步骤：真随机数产生模块（1）产生两路独立同分布的均匀白噪声，分别输入至光查找表结构，Box-Muller算法使用光查找表结构查找预存的映射表，将所述均匀白噪声转化为高斯白噪声；光查找表结构的工作流程如下：将两路独立同分布的真随机数分别经过第一电光调制器（22a）和第二电光调制器（22b）转换后在第一CAM表（23a）和第二CAM表（23b）中搜索，然后把从第一RAM表（24a）和第二RAM表（24b）中检索到的内容经过光电探测器（25）转换后送到乘法器（26），从乘法器（26）输出端输出数字高斯白噪声。
5.如权利要求4所述的一种真随机数产生高斯白噪声的方法，其特征在于，所述CAM表包括光学XOR门（27）和光学触发器（28），光学触发器（28）负责存储CAM表的内容位，CAM表输出的信号作为控制信号馈送到半导体光放大器（29），作为开关门操作。
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