CN1163086C - 窄带数字加扰噪声的产生方法及其数模转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄带数字加扰噪声的产生方法及其数模转换器，该方法在所要求的频段中选取M个频点并产生M个随机数，对每一频点生成单频函数与随机数进行累加，随后对所叠加后的信号进行加窗；把加窗后得到的浮点数据乘以一个常数使其为所允许的幅度范围；最后将所有的浮点数据进行量化。本发明所产生的加扰噪声具有过渡带较宽，带外抑制比高，信噪比不会降低，调节方便；数模转换器的信号无畸变动态范围得以提高。

Description

窄带数字加扰噪声的产生方法及其数模转换器

技术领域

本发明涉及移动通信号技术，更具体地指一种窄带数字加扰噪声信号的产生方法及其数模转换器。

背景技术

在无线电台中，数字器件已取代了部分模拟器件并越来越接近天线，出现了软件无线电的概念，通过软件来定义无线电台的功能和工作方式是软件无线电台的显著特征，软件无线电代表了无线电技术发展的一个重要方向。这种趋势所带来的好处是生产容易、成本低廉、功能更多、性能更好。

软件无线电离不开工作频率很高的数模转换器，数模转换器在发射通道将高速数字数据流转换成模拟中频甚至射频信号。软件无线电台要求数模转换器具有很高的线性，即信号无畸变动态范围(SFDR)大。加扰噪声技术是这样一种技术：在数模转换器的输入数字信号中加入随机数字信号，把可能的粗大杂波谱扩展到底噪中，从而提高数模转换器在应用系统中体现出来的信号无畸变动态范围(SFDR)大。加扰噪声分为窄带和宽带两种，由于窄带加扰噪声能够在后续的处理环节中加以滤除，因此，信噪比(SNR)不会降低，窄带加扰噪声具有一定的优越性，用得更多。按照要求事先把窄带加扰噪声数据产生出来并存入ROM中，然后循环地读出来与数模转换器原来输入的数字信号叠加，是窄带加扰噪声的一种主要应用方式。因此窄带数字加扰噪声的产生方法成为了问题的关键。

窄带加扰噪声的归一化带宽通常小于0.05，产生窄带加扰噪声信号的常用方法有两种：插值法和采集法。插值法的基本思想是：首先产生(数据)长度为L的全频带白噪声(归一化带宽为0.5)，接着进行N倍插值，得到长度为N*L的低频窄带噪声(其归一化带宽为0.5/N)，然后与单频载波序列数据相乘，可以得到中心频率位于第一Nyquist区间(0至Fs/2，Fs是数模转换器的时钟频率)的窄带噪声数据。采集法的基本思想是：用高速高精度的ADC采集由噪声二极管和模拟带通滤波器产生的窄带噪声。

上述两种方法的共同缺点是过渡带比较宽，带外抑制比不够高，这有可能降低有用信号的信噪比。此外采集法需要有硬件支持、调节不便。

发明内容

为此，本发明的目的是针对上述两种窄带数字加扰噪声产生方法存在的缺点，提出一种性能好、简便并且不需要硬件支持的窄带数字加扰噪声产生方法及其数模转换器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：该窄带数字加扰噪声的产生方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a，在所要求的频段中选取M个频点fi并产生M个随机数Ai；

b，对每一频点fi生成的单频函数与随机数Ai相乘后累加；

c，随后对所叠加后的信号进行加窗；

d，把窗后得到的浮点数据乘以一个常数使其为所允许的幅度范围；

e，最后将所有的浮点数据进行量化。

所述的步骤a中频点数M的取值大于30。

所述的步骤a的随机数为均匀分布、正态分布的随机数。

所述的步骤b中单频函数为三角函数。

所述的步骤C中的窗函数采用汉宁(Hannig)窗或海明(Hnmming)窗。

本发明的数模转换器包括存放有用数字信号缓冲区单元、数模转换单元，还包括存放窄带加扰噪声缓冲区单元、数字加法器单元、以及时钟单元、模拟带通单元，存放有用数字信号缓冲区单元输出的数字信号和存放窄带加扰噪声缓冲区单元输出的加扰噪声信号送至数字加法器单元，数字加法器单元的输出送到数模转换单元，模拟带通单元对数模转换单元的输出进行噪声滤波，时钟单元向数字信号缓冲区单元、存放窄带加扰噪声缓冲区单元、数字加法器单元、数模转换单元提供时钟信号。

由于本发明采用了包括在所要求的频段中选取M个频点并产生M个随机数Ai，对每一频点生成的单频函数与随机数Ai相乘后累加，随后对所叠加后的信号进行加窗；把加窗后得到的浮点数据乘以一个常数使其为所允许的幅度范围；最后将所有的浮点数据进行量化步骤的方法。与现有的插值法和采集法相比，利用本发明的方法所产生的加扰噪声具有过渡带较宽，带外抑制比高，对有用的信号的信噪比不会降低，而且不需要硬件支持，调节方便的优点；同时由于本发明对传统的数模转换器也同时进行了改进，它将有用的数字信号和利用本发明方法所产生的窄带加扰噪声信号相加后进行数模转换，因此本发明的数模转换器的信号无畸变动态范围比传统的数模转换器得以提高。

下面结合附图和实施例，对本发明的方法作一详细地说明：

附图说明

图1是采用本发明方法所产生的窄带加扰噪声的功率谱。

图2是与图1相应的窄带加扰噪声的时域波形。

图3是本发明的方法应用系统框图。

图4是传统的数模转换器对双音信号响应的功率谱；

图5是本发明的数模转换器对双音信号响应的功率谱。

具体实施方式

本发明的窄带数字加扰噪声的产生方法从以下几个步骤中体现出来：

第一步，在所要求的频段中选取M个频点fi并产生M个随机数Ai，其中，(1≤i≤M)。

第二步，对频点fi生成的单频函数与随机数Ai相乘后进行累加。

在本发明的实施例中，单频函数为正弦函数，则有如下公式：

$d\left(j\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{AiSin}(2\mathrm{\πfij}/\mathrm{Fs});1\≤j\≤n---\left(1\right)$

式中：

频点fi(1＜＝i＜＝M)是在所要求的加扰噪声频带内的一组频率，它可以均匀分布，也可以非均匀分布；

F_S是数据流的速率或时钟频率，

i是数据序号。

第三步，随后对所叠加后的信号进行加窗，其目的是减少噪声干扰信号的谱扩散。

第四步，把第三步加窗后产生的浮点数据乘以一个常数，使其为所允许的幅度范围。

第五步，最后将所有的浮点数据进行量化，量化后则得到所需要的窄带噪声扰信号。

所述的步骤一频点数M的取值通常大于30。

所述的随机数为均匀随机数、正态分布的随机数；也可以为呈其它分布的随机数。

所述的步骤二中单频函数也可采用正弦或余弦的组合，或在正弦函数或/和余弦函数中加入一个初始相位亦可。

所述的步骤三中的窗函数采用汉宁(Hannig)窗或海明(Hnmming)窗，当然也可以采用其它窗函数。

利用本发明方法产生的窄带加扰噪声信号可用在高线性度的数字音频播放系统和软件无线电台的发射通道中，将原有的数模转换器进行改进。

本发明的数模转换器包括存放有用数字信号缓冲区单元11、数模转换单元14，包括存放窄带加扰噪声缓冲区单元12、数字加法器单元13、以及时钟单元16、模拟带通单元15，存放有用数字信号缓冲区单元11输出的数字信号和存放窄带加扰噪声缓冲区单元12输出的加扰噪声信号送至数字加法器单元13，数字加法器单元13将它将有用数字信号与窄带加扰噪声数据相加，注意加法器必需有足够的宽度，以确保数据不溢出，相加后的结果输出送到数模转换单元14，模拟带通单元15对数模转换单元14的输出进行噪声滤波，用来滤除加扰噪声信号，以不降低最后输出信号的信号噪比，有时也可不加入专门的模拟带通滤波器，而由信号链路中的原有滤波器完成。时钟单元16向存放有用数字信号缓冲区单元11、存放窄带加扰噪声缓冲区单元12、数字加法器单元13、数模转换单元14提供时钟信号，在它的控制下使系统有序的工作。对此，可先参阅图3所示。

图1、图2分别是利用本发明的方法所产生窄带加扰噪声的功率谱和时域波形。由图1可见窄带加扰噪声的功率谱过渡带很窄，带外抑制比可轻松地达到70dB以上；图2是窄带加扰噪声的时域波形，由图2可以看出窄带加扰噪声时域波形的随机性很强。

图4是传统的数模转换器在不加加扰噪声时，对双音信号响应的功率谱，从该图4中可见，由于数模转换器中非线性的存在，双音互调(IMD，它在有用信号附近是最大的杂波)仅为-74.2dBc。

而本发明的数模转换器，在传统的数模转换器(单元)中加入上述依本发明方法所生的窄带加扰噪声信号后，双音互调IMD变为-79.3dBc，见图5，与未加加扰噪声的数模转换器(单元)相比，整整减少5.1dB，从而信号无畸变动态范围(SFDR)提高了5.1dB。

Claims (6)

1、一种窄带数字加扰噪声的产生方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a，在所要求的频段中选取M个频点fi并产生M个随机数Ai；

b，对每一频点fi生成的单频函数与随机数Ai相乘后累加；

c，随后对所叠加后的信号进行加窗；

d，把加窗后得到的浮点数据乘以一个常数使其为所允许的幅度范围；

e，最后将所有的浮点数据进行量化。

2、如权利要求1所述的窄带数字加扰噪声的产生方法：其特征在于：所述的步骤a中频点数M的取值大于30。

3、如权利要求1所述的窄带数字加扰噪声的产生方法：其特征在于：所述的步骤a中的随机数为均匀分布、正态分布的随机数。

4、如权利要求1所述的窄带数字加扰噪声的产生方法：其特征在于：所述的步骤b中单频函数为三角函数。

5、如权利要求1所述的窄带数字加扰噪声的产生方法：其特征在于：所述的步骤C中的窗函数采用汉宁窗或海明窗。

6、一种数模转换器，包括存放有用数字信号缓冲区单元、数模转换单元，其特征在于：该数模转换器还包括存放窄带加扰噪声缓冲区单元、数字加法器单元、以及时钟单元、模拟带通单元，存放有用数字信号缓冲区单元输出的数字信号和存放窄带加扰噪声缓冲区单元输出的加扰噪声信号送至数字加法器单元，数字加法器单元的输出送到数模转换单元，模拟带通单元对数模转换单元的输出进行噪声滤波，时钟单元向数字信号缓冲区单元、存放窄带加扰噪声缓冲区单元、数字加法器单元、数模转换单元提供时钟信号。

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