CN116088634A - 一种基于混沌理论的awg输出噪声波形的模块及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于混沌理论的AWG输出噪声波形的模块及方法，模块具体包括：依次连接的仿真软件、DDR单元、FPGA单元、数模转换单元和通道调理单元，其中仿真软件包括依次连接的线性反馈移位寄存器和数据处理单元，并且数据处理单元与DDR单元相连，仿真软件还包括位于线性反馈移位寄存器和数据处理单元之间的混沌系统，混沌系统的输出与线性反馈移位寄存器的输入相连，线性反馈移位寄存器的输出与混沌系统的输入相连。本发明的技术方案克服现有技术中AWG输出噪声时的随机性和频谱平坦度不够，以及需要大容量数据波形来确保其随机性的问题。
Description
技术领域
本发明涉及波形发生器的技术领域，具体涉及一种基于混沌理论的AWG输出噪声波形的模块及方法。
背景技术
在某些特定设备的测试和试验中，需要用户可编辑的高随机性的噪声波形作为信号激励源，而生成噪声波形随机性越好越能够模拟真实环境噪声信号。AWG作为波形可灵活编辑的信号生成装置，已成为可编辑噪声信号生成设备的首要选择。利用任意波形发生器(AWG)输出噪声信号通常需要通过数字信号处理的方式生成噪声波形数据，然后再通过数模转换器和通道调理电路进行波形的输出，因此输出信号波形的特性取决于数字生成的信号波形数据。因此如何有效地生成高随机性的波形数据决定了AWG输出噪声的随机性。
如图1所示，现有技术中的利用AWG生成噪声信号生成方案如下：首先噪声参数输入到仿真软件，仿真软件中包含线性反馈移位寄存器，由此生成必要的伪随机二进制序列(prbs)，随后进入数据处理单元，执行二进制十进制转换，进行运算、滤波等数据处理操作，得到服从某一随机分布、一定带宽的噪声数据，再将得到的十进制数据写入DDR中，通过FPGA控制DDR中数据的存取，并在噪声播放指令达到后控制噪声数据发送给数模转换单元，将数字噪声信号转换成模拟噪声信号，最后通过通道调理单元对模拟噪声信号进行幅度放大、滤波、整形等操作就可输出所需的噪声信号。
现有的噪声数据生成方式是利用仿真模拟线性反馈移位寄存器来生成伪随机二进制序列，然后将伪随机的二进制序列转化为十进制的幅度大小。但传统噪声生成的伪随机二进制序列虽然看上去具有一定的随机性，但数据之间是有明显的规律性，可通过某一段序列推算出后面的序列，因此其随机性并不符合某些特定情况下的应用需求。现有方案中，由于线性反馈移位寄存器的阶数限制，比如阶数为N，则生成的伪随机二进制序列长度为2N-1，即序列每经过2N-1个二进制数循环一次，这种数据的循环重复限制了输出信号的随机性，对于随机噪声的模拟也不够理想。另外该方法需要足够多数量的数据以保证其随机性或输出信号噪声的频谱更加平坦，而一般任意波的存储深度有限，有些低存储深度的噪声波形由于数据采样点太多而无法进行全部播放，使得AWG输出的噪声波形的随机性有所降低。
本发明针对AWG输出噪声时的随机性和频谱平坦度不够，以及需要大容量数据波形来确保其随机性的问题，提出一种基于混沌理论来提高AWG输出噪声随机性的波形设计方法。
因此，现需要一种具有较高随机性且输出信号噪声的频谱更加平坦的AWG输出噪声波形的方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于混沌理论的AWG输出噪声波形的方法，以解决现有技术中AWG输出噪声时的随机性和频谱平坦度不够，以及需要大容量数据波形来确保其随机性的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于混沌理论的AWG输出噪声波形的模块，具体包括：依次连接的仿真软件、DDR单元、FPGA单元、数模转换单元和通道调理单元，其中仿真软件包括依次连接的线性反馈移位寄存器和数据处理单元，并且数据处理单元与DDR单元相连，仿真软件还包括位于线性反馈移位寄存器和数据处理单元之间的混沌系统，混沌系统的输出与线性反馈移位寄存器的输入相连，线性反馈移位寄存器的输出与混沌系统的输入相连。
一种基于混沌理论的AWG输出噪声波形的方法，具体包括如下步骤：
S1，噪声参数输入到仿真软件，经仿真软件中的线性反馈移位寄存器和混沌系统处理后，生成必要的伪随机二进制序列prbs；
S2，随后进入数据处理单元，此单元将二进制转换为十进制，并进行运算、滤波数据处理操作，得到服从某一随机分布，并具有一定带宽的噪声数据；
S3，再将得到的十进制数据写入DDR中，通过FPGA控制DDR中数据的存取，并在噪声播放指令达到后控制噪声数据发送给数模转换单元，在此单元将数字噪声信号转换成模拟噪声信号；
S4，最后通过通道调理单元对模拟噪声信号进行幅度放大、滤波、整形操作后将输出所需的噪声信号。
进一步地，伪随机二进制序列的多项式可表示为：
p(z)＝Grzr+Gr–1zr–1+Gr–2zr–2+…+G0
其中，G1、G2、…Gr等于0或1，当G1、G2、…Gr等于时0，表示当前寄存器数值输出不进行反馈，等于1表示当前寄存器数值进行反馈。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明将混沌理论引入到任意波形发生器AWG中，并将其用于噪声波形设计，以提升噪声波形的随机性，解决了伪随机序列循环重复的特性，增强AWG输出噪声波形的随机性；
2、本发明利用混沌理论的初始值敏感特性提升伪随机序列的随机性，通过在反馈回路中增加对初始值进行调节的混沌系统，并且利用混沌系统对初始值的敏感性进行伪随机序列随机性能的提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1示出了现有技术中的AWG生成噪声信号的模块示意图；
图2示出了本发明的一种基于混沌理论的AWG输出噪声波形的模块；
图3示出了本发明的一种基于混沌理论的AWG输出噪声波形的方法的混沌系统与线性反馈移位寄存器结合的流程图；
图4示出了本发明的一种基于混沌理论的AWG输出噪声波形的方法的8位寄存器伪随机序列和混沌系统结合流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示的一种基于混沌理论的AWG输出噪声波形的模块，具体包括：依次连接的仿真软件、DDR单元、FPGA单元、数模转换单元和通道调理单元，其中仿真软件包括依次连接的线性反馈移位寄存器和数据处理单元，并且数据处理单元与DDR单元相连，仿真软件还包括位于线性反馈移位寄存器和数据处理单元之间的混沌系统，混沌系统的输出与线性反馈移位寄存器的输入相连，线性反馈移位寄存器的输出与混沌系统的输入相连。
一种基于混沌理论的AWG输出噪声波形的方法，具体包括如下步骤：
S1，噪声参数输入到仿真软件，经仿真软件中的线性反馈移位寄存器和混沌系统处理后，生成必要的伪随机二进制序列prbs；
S2，随后进入数据处理单元，此单元将二进制转换为十进制，并进行运算、滤波数据处理操作，得到服从某一随机分布，并具有一定带宽的噪声数据；
S3，再将得到的十进制数据写入DDR中，通过FPGA控制DDR中数据的存取，并在噪声播放指令达到后控制噪声数据发送给数模转换单元，在此单元将数字噪声信号转换成模拟噪声信号；
S4，最后通过通道调理单元对模拟噪声信号进行幅度放大、滤波、整形操作后将输出所需的噪声信号。
具体地，如图3所示的流程图是在伪随机二进制序列生成流程图中加入混沌系统得到的，其中0、1、…、r-1为线性反馈移位寄存器序号，G1、G2、…Gr以及M0、M1、…Mr-1等于0或者1，用以控制伪随机序列的生成多项式，不同的生成多项式对应于不同的伪随机序列。当G1、G2、…Gr等于0时，表示当前寄存器数值输出不进行反馈，等于1表示当前寄存器数值进行反馈，M0、M1、…Mr-1用于控制伪随机序列的起始值，图3中表示为伪随机序列的多项式可表示为：
p(z)＝Grzr+Gr–1zr–1+Gr–2zr–2+…+G0
例如，对于8个移位寄存器的伪随机序列的生成多项式可表示为p(z)＝z8+z2+1或者[1 0 0 0 0 0 1 0 1]，对应的流程图如图4所示，通过将随机序列中的0号寄存器输出的值输入到混沌系统，用以控制混沌系统的初始值，初始值可通过0号寄存器输出的前n位二进制序列得到，由于混沌系统对初始值异常敏感，初始值很微小的变化即可带来输出结果的巨大差异，因此可增加原伪随机系统的随机性。其中混沌系统可以是任意选定的混沌模型，如logistics混沌、Chebyshev混沌等，混沌系统迭代生成的结果通过数值变换再转化为0或者1反馈到最高位寄存器从而完成一次数据循环。通过每次寄存器移位进行一次上述操作即可生成大量随机序列。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于混沌理论的AWG输出噪声波形的模块，其特征在于，具体包括如下模块：依次连接的仿真软件、DDR单元、FPGA单元、数模转换单元和通道调理单元，其中仿真软件包括依次连接的线性反馈移位寄存器和数据处理单元，并且数据处理单元与DDR单元相连，仿真软件还包括位于线性反馈移位寄存器和数据处理单元之间的混沌系统，混沌系统的输出与线性反馈移位寄存器的输入相连，线性反馈移位寄存器的输出与混沌系统的输入相连。
2.一种基于混沌理论的AWG输出噪声波形的方法，利用如权利要求1所述的模块，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1，噪声参数输入到仿真软件，经仿真软件中的线性反馈移位寄存器和混沌系统处理后，生成必要的伪随机二进制序列prbs；
S2，随后进入数据处理单元，此单元将二进制转换为十进制，并进行运算、滤波数据处理操作，得到服从某一随机分布，并具有一定带宽的噪声数据；
S3，再将得到的十进制数据写入DDR中，通过FPGA控制DDR中数据的存取，并在噪声播放指令达到后控制噪声数据发送给数模转换单元，在此单元将数字噪声信号转换成模拟噪声信号；
S4，最后通过通道调理单元对模拟噪声信号进行幅度放大、滤波、整形操作后将输出所需的噪声信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于混沌理论的AWG输出噪声波形的方法，其特征在于，伪随机二进制序列的多项式可表示为：
p(z)＝Grzr+Gr–1zr–1+Gr–2zr–2+…+G0
其中，G1、G2、…Gr等于0或1，当G1、G2、…Gr等于时0，表示当前寄存器数值输出不进行反馈，等于1表示当前寄存器数值进行反馈。
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