CN202261168U - 数字高精度可变带宽高斯白噪声产生装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种数字高精度可变带宽高斯白噪声产生装置，它涉及数字信号处理领域中输出噪声功率可变、输出噪声带宽可变、噪声精度高的高斯白噪声产生装置。它由噪声参数产生器、噪声时钟产生器、数字白噪声发生器、可变增益放大器、功率检测器、D/A变换器、A/D转换器、低通滤波器、放大器等部件组成。它采用先进的数字信号处理技术产生输出带宽可变、可控的高精度高斯白噪声。同时本实用新型还采用特有的白噪声功率检测技术，从而获得平稳、准确的高斯白噪声功率输出。本白噪声产生装置输出精度高、输出带宽和功率均可控，特别适用于测试通信系统或信号检测系统的抗噪声性能以及通信系统或信号检测系统的频率特性。
Description
技术领域
本实用新型涉及数字信号处理领域中的数字高精度可变带宽高斯白噪声产生装置，特别适用于测试通信系统或信号检测系统的抗噪声性能以及通信系统或信号检测系统的频率特性。
背景技术
传统的数字白噪声产生装置中采用量化随机序列发生器的方法实现，其产生的白噪声周期短、精度低并且统计特性与理论曲线存在较大偏差；另一方面，其带宽和功率可变范围受限，并且硬件成本高。在测试通信系统或信号检测系统的抗噪声性能以及通信系统或信号检测系统的频率特性时，对高斯白噪声源的带宽和精度要求非常高。若使用传统的数字白噪声产生装置，为满足测试中对高斯白噪声源的带宽和精度要求，必然会增加设备硬件成本。
实用新型内容
本实用新型的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种高精度可变带宽高斯白噪声产生装置。本实用新型高精度可变带宽高斯白噪声产生装置采用先进的数字信号处理技术在占用硬件资源少的条件下产生并输出带宽可变、可控的高精度高斯白噪声，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，本实用新型还使用特有的白噪声功率检测技术，从而获得平稳、准确的高斯白噪声功率输出，并且本实用新型还具有结构简单、易于操作等特点。
本实用新型的目的是这样实现的：
一种数字高精度可变带宽高斯白噪声产生装置，包括噪声参数产生器1、噪声时钟产生器2、D/A变换器4、可变增益放大器5、低通滤波器6、放大器7、A/D变换器8、数字锁相环10和电源11，其特征在于：还包括数字白噪声发生器3和功率检测器9；所述的噪声参数产生器1的输入端口1外接输入的噪声参数，其输入端口2外接时钟信号，其输出端口3与可变增益放大器5的输入端口2相连，其输出端口4与噪声时钟产生器2的输入端口1相连；数字白噪声发生器3的输入端口1与噪声时钟产生器2的输出端口3相连，其输出端口2与D/A变换器4的输入端口1相连；可变增益放大器5的输入端口1与D/A变换器4的输出端口3相连，其输出端口3与低通滤波器6的输入端口1相连；放大器7的输入端口1与低通滤波器6的输出端口2相连，其输出端口2输出高精度高斯白噪声；A/D变换器8的输入端口1与可变增益放大器5的输出端口3相连，其输出端口3与的功率检测器9的输入端口1相连；功率检测器9的输出端口3与噪声参数产生器1的输入端口5相连；数字锁相环10的输入端口1外接输入的高稳时钟，其输出端口2与噪声参数产生器1的输入端口6相连，其输出端口3与噪声时钟生器2的输入端口2相连，其输出端口4与D/A变换器4的输入端口2相连，其输出端口5与A/D变换器8的输入端口2相连，其输出端口6与功率检测器9的输入端口2相连；电源11的输出端+V电压端与各部件的电源端并接。
在噪声参数设置端，噪声参数产生器1将外部输入的噪声参数和时钟译码成信道设置参数，并根据信道参数与功率检测器9输出的白噪声功率信息输出控制信息，噪声时钟产生器2根据噪声带宽信号对输入时钟进行时钟处理，然后将时钟送入数字白噪声发生器3产生数字白噪声，数字白噪声经D/A变换4后变成模拟信号，该信号经过增益受噪声参数产生器1发出的增益信息控制的可变增益放大器5放大后，经低通滤波器6滤波和放大器7放大后输出。A/D变换器4将可变增益放大器5的输出模拟信号进行采样后转换成采用数字信号，采样数字信号送入功率检测器9进行功率检测，功率检测器9将功率检测信息反馈送入噪声参数产生器1指导噪声参数的产生。
其中，数字白噪声发生器(3)包括第一至第三均匀分布随机数发生器12-1至12-3、查表地址映射器13、选择信号产生器14、对数运算器15、余弦运算器16、高精度数字存储器17、信号选择器18和数字乘法器19；所述的第一至第三均匀分布随机数发生器12-1至12-3的各输入端口1分别与噪声时钟产生器2的输出端口3相连；第一均匀分布随机数发生器12-1的输出端口2与查表地址映射器13的输入端口1相连；第二均匀分布随机数发生器12-2的输出端口2分别与选择信号产生器14的输入端口1、对数运算器15的输入端口1相连；第三均匀分布随机数发生器12-3的输出端口2与余弦运算器16的输入端口1相连；高精度数字存储器17的输入端口1与查表地址映射器13的输出端口2相连；信号选择器18的输入端口1与选择信号产生器14的输出端口2相连，其输入端口2与对数运算器15的输出端口2相连，其输入端口3与高精度数字存储器17的输出端口2相连；数字乘法器19的输入端口1与余弦运算器16的输出端口2相连，其输入端口2与信号选择器18的输出端口4相连，其输出端口3与D/A变换器4的输入端口1相连；第一至第三均匀分布随机数发生器12-1至12-3、查表地址映射器13、选择信号产生器14、对数运算器15、余弦运算器16、高精度数字存储器17、信号选择器18和数字乘法器19的各输入端5脚与电源11输出端+V电压端相连，各输入端6脚与地端相连。
第一至第三均匀分布随机数发生器12-1至12-3接收噪声时钟产生器2输出的时钟信号产生相互独立的3路服从均匀分布的随机数，查表地址映射器13接收第一均匀分布随机数发生器12-1输出信息得到映射地址并送至高精度数字存储器17，高精度数字存储器17根据映射地址读出高精度信息送至信号选择器18，第二均匀分布随机数发生器12-2输出信息分别送入选择信号产生器14和对数运算器15，选择信号产生器14产生选择控制信号送至信号选择器18，对数运算器15产生对数信息也送至信号选择器18，信号选择器18根据选择信号产生器14送出的选择控制信号从对数运算器15输出的对数信息和高精度数字存储器17送出的高精度信息中选择输出信号，余弦运算器16接收第三均匀分布随机数发生器12-3送入的信号并进行余弦运算，其输出与信号选择器18的输出信号一起送入数字乘法器19进行乘法运算，最后将数字乘法器19的输出信号输出至D/A变换器4。
其中，功率检测器9包括数字乘法器20、数字计数器21、数字加法器22和输出控制器23，所述的数字乘法器20的输入端口1与A/D变换器8的输出端口3相连，其输出端口2与数字累加器22的输入端口1相连；数字计数器21的输入端口1与数字锁相环10的输出端口4相连，其输出端口2与数字累加器22的输入端口2相连，其输出端口3分别与输出控制器23的输入端口2相连；输出控制器23的输入端口1与数字累加器22的输出端口3相连，其输出端口3与噪声参数产生器1的输入端口5相连；数字乘法器20、数字计数器21、数字加法器22、输出控制器23的各输入端4脚与电源11输出端+V电压端相连，各输入端5脚与地端相连。
A/D变换器8的输出的采样信号送入信号数字乘法器20，信号数字乘法器20将输入信号进行数字平方相乘并将平方后的输出信号输入数字累加器22，数字累加器22对平方后的信号进行积分处理并输出至输出控制器23，数字计数器21根据数字锁相环10送入的时钟信号产生输出/清零控制信号送至输出控制器23，输出控制器23根据输出/清零控制信号处理数字累加器22输出的积分信号得到功率检测结果，然后将功率检测结果送入噪声参数产生器1。
本实用新型相比背景技术具有如下优点：
1.本实用新型采用了数字白噪声发生器3和功率检测器9，采用先进的数字信号处理技术在产生带宽可变、可控的高精度高斯白噪声；并使用特有的白噪声功率检测技术，从而获得平稳、准确的高斯白噪声功率输出，提高了该装置的可靠性。
2.本实用新型采用了数字白噪声发生器3，首次在占用少量硬件资源的条件下实现了高精度、分布特性良好、带宽可变的高斯白噪声产生，提高了输出白噪声的质量，改善了白噪声发生装置的分布特性。
3.本实用新型电路部件采用大规模现场可编程器件制作，因此可通过配置不同的程序灵活地实现对工作参数的修改，使设备的结构大大简化，成本显着降低。
附图说明
图1是本实用新型的电原理方框图。
图2是本实用新型数字白噪声发生器3实施例的电原理图。
图3是本实用新型功率检测器9实施例的电原理图。
具体实施方式：
参照图1至图3，本实用新型由噪声参数产生器1、噪声时钟产生器2、数字白噪声发生器3、D/A变换器4、可变增益放大器5、低通滤波器6、放大器7、A/D变换器8、功率检测器9、数字锁相环10、电源11组成。图1是本实用新型的电原理方块图，实施例按图1连接线路。其中噪声参数产生器1的作用是将外部输入的噪声参数和时钟译码成信道设置参数，并根据信道参数与功率检测器9输出的白噪声功率信息输出控制信息到噪声时钟产生器2和可变增益放大器5，噪声时钟产生器2将噪声参数产生器1产生的带宽参数进行时钟处理，其输出的噪声时钟送入数字白噪声发生器3产生高精度高斯白噪声，经过D/A变换器4之后变成模拟信号，该模拟信号经过增益受噪声参数产生器1发出的增益信息控制的可变增益放大器5放大，可变增益放大器5的输出信号经低通滤波器6滤波、放大器7放大后输出；A/D变换器4将可变增益放大器5的输出模拟信号进行采样后转换成采用数字信号，采样数字信号送入功率检测器9进行功率检测，功率检测器9将功率检测信息反馈送入噪声参数产生器1指导噪声参数的产生。实施例噪声参数产生器1、噪声时钟产生器2、数字白噪声发生器3、功率检测器9采用美国Altera公司生产Cyclone II系列FPGA芯片制作。D/A变换器4采用美国AD公司的AD9763芯片制作。可变增益放大器5采用AD公司的AD8367芯片制作。低通滤波器6采用北京长峰公司的LPF-50MHz芯片制作。放大器7采用美国MINI公司的ERA-3sm芯片制作。A/D变换器8采用美国AD公司的AD9600芯片制作。
本实用新型数字白噪声发生器3的作用是接收噪声时钟产生器2的时钟信号，产生高精度、统计特性优良的数字高斯白噪声，送入D/A变换器4进行D/A变换，从而产生一路高斯白噪声信号。它由第一至第三均匀分布随机数发生器12-1至12-3、查表地址映射器13、选择信号产生器14、对数运算器15、余弦运算器16、高精度数字存储器17、信号选择器18和数字乘法器19组成，图2是本实用新型数字高斯白噪声发生器的电原理图，实施例按图2连接线路。其中第一至第三均匀分布随机数发生器12-1至12-3根据噪声时钟信号产生相互独立的3路服从均匀分布的随机数，查表地址映射器13由第一均匀分布随机数发生器12-1输出信息得到映射地址，高精度数字存储器17根据映射地址读出高精度信息，第二均匀分布随机数发生器12-2输出信息分别送入选择信号产生器14和对数运算器15，信号选择器18根据选择信号产生器14送出的选择控制信号从对数运算器15说输出的对数信息和高精度数字存储器17送出的高精度信息中选择输出信号，余弦运算器16将第三均匀分布随机数发生器12-3送入的信号进行余弦运算，其输出与信号选择器18的输出信号一起送入数字乘法器19进行乘法运算，最后将数字乘法器19的输出信号输出至D/A变换器4。实施例第一至第三均匀分布随机数发生器12-1至12-3、查表地址映射器13、选择信号产生器14、对数运算器15、余弦运算器16、高精度数字存储器17、信号选择器18和数字乘法器19均采用美国Altera公司生产Cyclone II系列FPGA芯片制作。
本实用新型功率检测器9的作用是将A/D变换之后的信号进行功率检测并将功率检测值送入噪声参数产生器1。它由数字乘法器20、数字计数器21、数字加法器22、输出控制器23组成。图3是本实用新型功率检测器9的电原理图，实施例按图3连接线路。其中数字乘法器20将A/D变换器8输出的采样信号进行数字平方相乘，将平方后的输出信号输入至数字累加器22，数字累加器22完成信号积分处理并将输出信号输出至输出控制器23，数字计数器21根据数字锁相环10送入的时钟信号产生输出/清零控制信号，输出控制器23根据输出/清零控制信号对数字累加器22输出的积分信号进行处理得到功率检测结果，并将功率检测结果送入噪声参数产生器1。实施数字乘法器20、数字计数器21、数字加法器22、输出控制器23均采用美国Altera公司生产CycloneII系列FPGA芯片制作。
本实用新型数字锁相环10作用是通过其输入端口1接收输入的高稳时钟信号，经其锁相处理后输出所需的稳定时钟，其输出端口2给噪声参数产生器1提供高稳时钟源，其输出端口3给噪声时钟生器2提供高稳时钟源，其输出端口4给D/A变换器4提供高稳时钟源，其输出端口5给A/D变换器8提供高稳时钟源，其输出端口6给功率检测器9提供一个高稳时钟源。
本实用新型电源11提供整个数字高精度可变带宽高斯白噪声产生装置的直流工作电压，实施例采用市售通用集成稳压直流电源模块制作，其输出+V电压为+3.3V、供电电流为1A。
本实用新型简要工作原理如下：
在噪声参数设置端，噪声参数产生器1将外部输入的噪声参数和时钟译码成信道设置参数，并根据信道参数与功率检测器9输出的白噪声功率信息输出控制信息，噪声带宽信号送入噪声时钟产生器2后对进行时钟处理，然后将时钟送入数字白噪声发生器3产生数字白噪声，并经D/A变换4变成模拟信号，然后该信号经过增益受噪声参数产生器1发出的增益信息控制的可变增益放大器5放大后，变增益放大器5的输出信号经过低通滤波器6滤波、放大器7放大后输出。A/D变换器4将可变增益放大器5的输出模拟信号进行采样后转换成采用数字信号，采样数字信号送入功率检测器9进行功率检测，功率检测器9将功率检测信息反馈送入噪声参数产生器1指导噪声参数的产生。
本实用新型安装结构如下：
本实用新型安装结构如下：把图1、图2、图3中所有电路器件安装在1块尺寸大小长×宽为140×100mm的印制板上，然后把印制板安装在1个长×宽×高为150×120×30mm的屏蔽盒插件中，屏蔽盒插件安装在数字高精度可变带宽高斯白噪声产生装置的机箱内，屏蔽盒插件前面板安装网络端口两芯电缆插座及发射信号出端口电缆插座，后面板上安装外部时钟输入端插座和电源输入端插座，组装成本实用新型。
Claims (3)
1.一种数字高精度可变带宽高斯白噪声产生装置，包括噪声参数产生器(1)、噪声时钟产生器(2)、D/A变换器(4)、可变增益放大器(5)、低通滤波器(6)、放大器(7)、A/D变换器(8)、数字锁相环(10)和电源(11)，其特征在于：还包括数字白噪声发生器(3)和功率检测器(9)；所述的噪声参数产生器(1)的输入端口1外接输入的噪声参数，其输入端口2外接时钟信号，其输出端口3与可变增益放大器(5)的输入端口2相连，其输出端口4与噪声时钟产生器(2)的输入端口1相连；数字白噪声发生器(3)的输入端口1与噪声时钟产生器(2)的输出端口3相连，其输出端口2与D/A变换器(4)的输入端口1相连；可变增益放大器(5)的输入端口1与D/A变换器(4)的输出端口3相连，其输出端口3与低通滤波器(6)的输入端口1相连；放大器(7)的输入端口1与低通滤波器(6)的输出端口2相连，其输出端口2输出高精度高斯白噪声；A/D变换器(8)的输入端口1与可变增益放大器(5)的输出端口3相连，其输出端口3与的功率检测器(9)的输入端口1相连；功率检测器(9)的输出端口3与噪声参数产生器(1)的输入端口5相连；数字锁相环(10)的输入端口1外接输入的高稳时钟，其输出端口2与噪声参数产生器(1)的输入端口6相连，其输出端口3与噪声时钟生器(2)的输入端口2相连，其输出端口4与D/A变换器(4)的输入端口2相连，其输出端口5与A/D变换器(8)的输入端口2相连，其输出端口6与功率检测器(9)的输入端口2相连；
噪声参数设置端，噪声参数产生器(1)将外部输入的噪声参数和时钟译码成信道设置参数，并根据信道参数与功率检测器(9)输出的白噪声功率信息输出控制信息，噪声时钟产生器(2)根据噪声带宽信号对输入时钟进行时钟处理，然后将时钟送入数字白噪声发生器(3)产生数字白噪声，数字白噪声经D/A变换(4)后变成模拟信号，该信号经过增益受噪声参数产生器(1)发出的增益信息控制的可变增益放大器(5)放大后，经低通滤波器(6)滤波和放大器(7)放大后输出；A/D变换器(4)将可变增益放大器(5)的输出模拟信号进行采样后转换成采用数字信号，采样数字信号送入功率检测器(9)进行功率检测，功率检测器(9)将功率检测信息反馈送入噪声参数产生器(1)指导噪声参数的产生。
2.根据权利要求1所述的数字高精度可变带宽高斯白噪声产生装置，其特征在于：数字白噪声发生器(3)包括第一至第三均匀分布随机数发生器(12-1至12-3)、查表地址映射器(13)、选择信号产生器(14)、对数运算器(15)、余弦运算器(16)、高精度数字存储器(17)、信号选择器(18)和数字乘法器(19)；所述的第一至第三均匀分布随机数发生器(12-1至12-3)的各输入端口1分别与噪声时钟产生器(2)的输出端口3相连；第一均匀分布随机数发生器(12-1)的输出端口2与查表地址映射器(13)的输入端口1相连；第二均匀分布随机数发生器(12-2)的输出端口2分别与选择信号产生器(14)的输入端口1、对数运算器(15)的输入端口1相连；第三均匀分布随机数发生器(12-3)的输出端口2与余弦运算器(16)的输入端口1相连；高精度数字存储器(17)的输入端口1与查表地址映射器(13)的输出端口2相连；信号选择器(18)的输入端口1与选择信号产生器(14)的输出端口2相连，其输入端口2与对数运算器(15)的输出端口2相连，其输入端口3与高精度数字存储器(17)的输出端口2相连；数字乘法器(19)的输入端口1与余弦运算器(16)的输出端口2相连，其输入端口2与信号选择器(18)的输出端口4相连，其输出端口3与D/A变换器(4)的输入端口1相连；
第一至第三均匀分布随机数发生器(12-1至12-3)接收噪声时钟产生器(2)输出的时钟信号产生相互独立的3路服从均匀分布的随机数，查表地址映射器(13)接收第一均匀分布随机数发生器(12-1)输出信息得到映射地址并送至高精度数字存储器(17)，高精度数字存储器(17)根据映射地址读出高精度信息送至信号选择器(18)，第二均匀分布随机数发生器(12-2)输出信息分别送入选择信号产生器(14)和对数运算器(15)，选择信号产生器(14)产生选择控制信号送至信号选择器(18)，对数运算器(15)产生对数信息也送至信号选择器(18)，信号选择器(18)根据选择信号产生器(14)送出的选择控制信号从对数运算器(15)输出的对数信息和高精度数字存储器(17)送出的高精度信息中选择输出信号，余弦运算器(16)接收第三均匀分布随机数发生器(12-3)送入的信号并进行余弦运算，其输出与信号选择器(18)的输出信号一起送入数字乘法器(19)进行乘法运算，最后将数字乘法器(19)的输出信号输出至D/A变换器(4)。
3.根据权利要求1所述的数字高精度可变带宽高斯白噪声产生装置，其特征在于：功率检测器(9)包括数字乘法器(20)、数字计数器(21)、数字加法器(22)和输出控制器(23)，所述的数字乘法器(20)的输入端口1与A/D变换器(8)的输出端口3相连，其输出端口2与数字累加器(22)的输入端口1相连；数字计数器(21)的输入端口1与数字锁相环(10)的输出端口4相连，其输出端口2与数字累加器(22)的输入端口2相连，其输出端口3分别与输出控制器(23)的输入端口2相连；输出控制器(23)的输入端口1与数字累加器(22)的输出端口3相连，其输出端口3与噪声参数产生器(1)的输入端口5相连；
A/D变换器(8)的输出的采样信号送入信号数字乘法器(20)，信号数字乘法器(20)将输入信号进行数字平方相乘并将平方后的输出信号输入数字累加器(22)，数字累加器(22)对平方后的信号进行积分处理并输出至输出控制器(23)，数字计数器(21)根据数字锁相环(10)送入的时钟信号产生输出/清零控制信号送至输出控制器(23)，输出控制器(23)根据输出/清零控制信号处理数字累加器(22)输出的积分信号得到功率检测结果，然后将功率检测结果送入噪声参数产生器(1)。
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|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20120530 Termination date: 20200929 |