CN102111129B - 具有输出噪声信号功能的信号发生器和输出噪声信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有输出噪声信号功能的信号发生器2，信号发生器2包括控制单元21、输入单元24、非易失性存储器22、波形处理单元25和数模转换单元26，输入单元24、非易失性存储器22和波形处理单元25分别与控制单元21相连接，数模转换单元26与波形处理单元25相连接，非易失性存储器22存储有特征参数221，特征参数包括开机次数222，控制单元21用于产生一个与开机次数222相关联的初始值，波形处理单元25用于利用初始值来产生伪随机数序列，数模转换单元26用于将伪随机数序列进行数模转换。本发明信号发生器2改善了用户在多次使用信号发生器时产生噪声相同的问题。

Description

具有输出噪声信号功能的信号发生器和输出噪声信号的方法

技术领域

本发明涉及一种具有输出噪声信号功能的多路信号发生器，特别涉及一种输出的噪声的随机性较高的多路信号发生器。

背景技术

信号发生器作为常见的激励源，已经被广泛的应用到科学研究以及工业工程领域。信号发生器的一个典型应用就是在实验室中模拟各种信号，作为待测电路和系统的输入激励，为测试待测电路和系统的各种性能指标提供模拟环境。传统意义上的信号发生器按其信号波形分为四大类：(1)正弦信号发生器：主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等；(2)函数(波形)信号发生器：产生某些特定的周期性时间函数波形(正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波)信号，除可供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域；(3)脉冲信号发生器：产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用于测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能；(4)随机信号发生器：可用于模拟实际工作条件中的噪声，将产生的随机信号引入待测系统，从而测定系统性能；可以给被测系统外加一个已知噪声信号与系统内部噪声比较以测定噪声系数；还可以用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测定系统动态特性等。

随着电子技术的飞速发展，集成度越来越高，现在一般的信号发生器均可以将上述四类信号发生器的基本功能集于一身。其中，随机信号的产生方法有很多，大致可分为两类，一类是用纯模拟电路产生随机噪声；另一类是利用微处理器和软件系统用伪随机序列产生随机噪声。这里提到的随机噪声均指白噪声，有特殊用途的有色噪声可通过对白噪声的滤波处理得到。

公开号为CN85102755A的名称为“多功能随机信号发生器”的中国专利申请公开说明书公开了一种多功能随机信号发生器。下面简要介绍该专利公开的多功能随机信号发生器的工作原理。请参照图1，两个独立的正态白噪声源[1]、[2]，用于产生正态分布的白噪声。韦布尔噪声形成电路[3]，用于形成韦布尔白噪声。对数-正态白噪声形成电路[4]，用于形成对数-正态白噪声。相关噪波形成电路[5]，用于形成各种相关性噪波。功放电路[6]，用于将产生的噪声信号放大后输出。噪声参数测试电路[7]，用于指示输出韦布尔白噪声的形状及尺度参数以及其他噪波的有效电压值。开关元件[8]、[9]，实现噪声信号的选择性输出。

两个独立正态白噪声源[1]、[2]产生的正态白噪声，输入到韦布尔白噪声形成电路[3]后，变为韦布尔白噪声经功放[6]输出，正态白噪声经对数-正态白噪声形成电路[4]后，变为对数-正态白噪声经功放[6]输出。上述三种白噪声经相关噪波形成电路[5]作用及功放后，可输出相应的相关噪波。开关元件[8]用于在上述三种白噪声，即正态白噪声、韦布尔白噪声、对数-正态白噪声，中选择一种作为相关噪波电路[5]的输入或直接作为功放[6]的输入，由开关元件[9]选择将白噪声或者其相关噪声送入功放[6]电路，经放大后输出。

请参照图2，图2为正态白噪声源[1]、[2]的电路图。其中，D1为齐纳二极管，是该电路中的关键部件。当齐纳二极管发生雪崩击穿时，会产生大量噪声。利用这一特性，让齐纳二极管工作在噪声区，然后将产生的白噪声电流用晶体管放大，并以射随器做缓冲级，即可获得正态分布的白噪声。

但是，利用齐纳二极管的反向击穿特性，要求较好的控制反向击穿电压。如果加载的电压过低，则无法达到击穿电压的大小，从而无法发生反向击穿，也就无法产生噪声；如果加载的电压过大，则可能会烧坏元器件。不仅如此，温度对反向击穿电压也有影响。当温度升高时，反向击穿电压会上升，而且这种影响并非严格线性的。这就更加加大了为齐纳二极管提供恰当的击穿电压的难度。

另外，模拟电路产生随机噪声的方法还存在以下几个问题：

(1)模拟电路的理论设计和实际差距较大，实际需要花费大量的时间进行调试，包括各分立元件的匹配工作等，会大大增加项目开发时间。

(2)模拟电路的抗干扰能力较差，当外界干扰较大时，往往会导致性能的降低。

(3)模拟电路设计生产定型后，由于其器件型号和位置都已经固定，难以根据需要对参数进行调整。

现有技术为克服模拟电路的上述问题，经常采用的是利用微处理器执行程序产生伪随机数序列，再将伪随机数序列进行数模转换产生随机噪声。其中，伪随机数序列是指：如果一个序列，一方面它是可以预先确定的，并且是可以重复生产和复现的；另一方面它又具有某种随机序列的随机特性(即统计特性)，我们便称这种序列为伪随机序列。

但是，该方法的缺点是，产生伪随机数序列消耗微处理器的处理时间，且所用的随机序列不宜过长，这使得随机序列的周期受此限制而非常有限，无法逼近真正意义上的随机序列。

为克服上述两种方法的缺点，现有技术提出了一种基于可编程逻辑器件来实现伪随机序列产生的方法。下面介绍一种利用FPGA产生伪随机数序列的方法。首先，通过编程在FPGA内部构成一个n位线性反馈移位寄存器，编程可以使用VHDL语言、Verilog语言等。请参照图3，该线性反馈以为寄存器1包括n个依序串联的寄存单元a₀～a_n-1，n-1个开关C₁～C_n-1，n-1个异或门D₁～D_n-1。寄存单元a₀的输出端连接到寄存单元a₁的输入端，寄存单元a₁的输出端连接到寄存单元a₂的输入端，以此类推至寄存单元a_n-2的输出端连接到寄存单元a_n-1的输入端。寄存单元a_n-1连接到异或门D_n-1的一个输入端，异或门D_n-1的输出端连接到异或门D_n-2的一个输入端，以此类至异或门D₁的输出端连接至寄存单元a₀的输入端。寄存单元a_n-2的输出端经过开关C_n-1连接到异或门D_n-1的另一个输入端，寄存单元a_n-2的输出端经过开关C_n-1连接到异或门D_n-1的另一个输入端，以此类推至寄存单元a₀的输出端经过开关C₁连接到异或门D₁的另一个输入端。

对于开关C₁～C_n-1，连通则用值为1来表示，断开则用值为0来表示。另外，增加C₀＝1用来表示异或门D₁的输出端连接至寄存单元a₀的输入端，增加C_n＝1用来表示寄存单元a_n-1连接到异或门D_n-1的一个输入端。这样，上述C₀～C_n的值则反映了线性反馈以为寄存器1的反馈连接状态。用多项式f(x)来描述线性反馈移位寄存器的反馈连接状态：

$f\left(x\right)=c_0+c_{1}x+\·\·\·+c_n{x}^n=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{x}^i$

若该n次多项式f(x)满足下列条件：

(1)f(x)为既约多项式(即不能分解因式的多项式)；

(2)f(x)可整除(xp+1)，p＝2n-1；

(3)f(x)除不尽(xq+1)，q＜p。

则称f(x)为本原多项式。

理论已经证明，当使用本原多项式的系数C₀～C_n来作为线性反馈移位寄存器1的反馈连接状态时，线性反馈移位寄存器1可以得到m序列。

m序列就是一种常用的伪随机序列，该序列又被称作最长线性反馈移存序列。m序列是由线性反馈移位寄存器产生的周期最长的一种序列。如果选用n级线性反馈移位寄存器，则m序列的周期为(2ⁿ-1)个时钟周期。也就是说，最多进行(2ⁿ-1)次移位后，输出序列开始重复，即n级线性反馈移位寄存器1产生的序列的最大周期为(2ⁿ-1)。在一个周期内，各寄存单元中的值不具备任何周期性，因此，在一个周期内，可以认为n级移位寄存器的输出为随机数。

通常，可以将最后一级的寄存单元a_n-1的值作为输出。请参照图4，也可以任取其中i个寄存单元的值合并成一个i位的数输出。

例如，请参照图5，使用的本原多项式f(x)＝x¹²⁰+x¹¹³+x⁹+x²+1作为反馈连接状态配置线性反馈移位寄存器1，则需要另n＝120，将开关C₂、C₉、C₁₁₃导通而其他开关断开，即取出寄存单元a₁、a₈、a₁₁₂、a₁₁₉中的值反馈进行异或操作，并将操作结果作为寄存单元a₀的输入即可。

再例如，请参照图6，使用的本原多项式f(x)＝x²⁵+x³+1作为反馈连接状态配置线性反馈移位寄存器1，则需要另n＝25，将开关C₃导通而其他开关断开，即取出寄存单元a₀、a₂、a₂₄中的值反馈进行异或操作，并将操作结果作为寄存单元a₀的输入即可。

当线性反馈移位寄存器1各个寄存单元的初始值为全0时，线性反馈网络就失去了作用，输出序列一直为0，因此移位寄存器的初始值不能为0，需要赋予线性反馈移位寄存器1一个非零初始值。一般而言，可以为线性反馈移位寄存器1配置一个固定的非零初始值来解决上述问题。

但是，线性反馈移位寄存器1为固定的非零初始值的条件下，线性反馈移位寄存器1每次上电开始移位时都是从该固定的非零初始值开始的，又由于伪随机数序列的特点是周期性的，因此，线性反馈移位寄存器1每次上电后输出的伪随机数序列是相同的，这难以满足使用者对噪声信号随机性的要求。

发明内容

为了解决现有技术产生噪声的随机性较低的问题，本发明提供一种产生噪声随机性较高的信号发生器。

同时，本发明还提供一种产生噪声随机性较高的输出噪声信号的方法。

一种具有输出噪声信号功能的信号发生器，所述信号发生器包括一个控制单元、一个输入单元、一个非易失性存储器、一个波形处理单元和一个数模转换单元，所述输入单元、所述非易失性存储器和所述波形处理单元分别与所述控制单元相连接，所述数模转换单元与所述波形处理单元相连接，所述非易失性存储器存储有特征参数，所述特征参数包括开机次数，所述控制单元用于产生一个与所述开机次数相关联的初始值，所述波形处理单元用于利用所述初始值来产生伪随机数序列，所述数模转换单元用于将所述伪随机数序列进行数模转换。

一种用于如上述的信号发生器的输出噪声信号的方法，包括如下步骤：产生与所述信号发生器的特征参数中的开机次数相关联的一个初始值；利用所述初始值来产生伪随机数序列；将所述伪随机数序列进行数模转换。

本发明信号发生器和输出噪声信号的方法的优点在于：由于信号发生器产生一个与开机次数相关联的初始值，而开机次数在每次开机上电后会发生改变，因此可以保证信号发生器每次开机后所获得的初始值与上一次开机后所获得的初始值不同，这样就改善了用户在多次使用信号发生器时产生噪声相同的问题，使得产生噪声的随机性较高。

附图说明

图1是现有技术信号发生器的模块结构示意图。

图2是为正态白噪声源[1]、[2]的电路图。

图3是线性反馈以为寄存器的模块结构示意图。

图4是线性反馈以为寄存器的另一种输出方式的示意图。

图5是线性反馈以为寄存器一种反馈连接状态配置的示意图。

图6是线性反馈以为寄存器另一种反馈连接状态配置的示意图。

图7是本发明第一实施方式的信号发生器2的模块结构示意图。

图8是信号发生器2的120位的线性反馈移位寄存器251的模块结构示意图。

图9是信号发生器2工作的步骤流程图。

图10是本发明第二实施方式信号发生器工作原理示意图。

具体实施方式

下面介绍本发明信号发生器的第一实施方式。

请参照图7，该信号发生器2包括一个控制单元21、一个非易失性存储器22、一个接口单元23、一个输入单元24、一个波形处理单元25和一个数模转换单元26。非易失性存储器22、接口单元23、输入单元24、波形处理单元25分别连接到控制单元21，数模转换单元26连接到波形处理单元25。

控制单元21负责接收并解析输入单元24输入的指令信息、负责控制接口单元23进行数据发送和接受工作、控制对非易失性存储器22中保存的数据进行读取和存储工作、以及负责根据该指令信息对波形处理单元25和数模转换单元26进行配置等工作。波形处理单元25负责产生一个对应输出波形的数字序列，数模转换单元26负责将所述数字序列进行数模转换，进而输出模拟形式的波形。

在本实施方式当中，控制单元21由DSP构成，非易失性存储器22闪存(FLASH)构成，接口单元23包括LAN、GPIB、USB，输入单元24由键盘构成，波形处理单元25由FPGA构成，数模转换单元26由DAC构成。

请一起参照图7和图8，波形处理单元25通过编程配置有一个120位的线性反馈移位寄存器251，线性反馈移位寄存器251以本原多项式f(x)＝x¹²⁰+x¹¹³+x⁹+x²+1的系数来配置。并且取出线性反馈移位寄存器251的低14位作为数字序列输出至数模转换单元26用于数模转换。

请再参照图7，非易失性存储器22中存储有特征参数221，该特征参数221包括开机次数222和产品序列号223。开机次数222为信号发生器2开机上电的次数，开机次数222每关机掉电再开机上电一次后，开机次数222的值便加1。产品序列号223为该信号发生器2一个固定数字，任何两台该信号发生器2产品的产品序列号223均不相同。

当信号发生器2开机上电以后，如果信号发生器2通过输入单元24被设置成开机默认输出噪声状态，或者，如果用户通过输入单元24输入一个输出噪声命令后，信号发生器2按照如下流程工作，请一并参照图7至图9：

步骤S1：控制单元21产生一个与开机次数222和产品序列号223相关联的初始值；

控制单元21从非易失性存储器22中读取开机次数222和产品序列号223，产生一个与线性反馈移位寄存器251位数相同的初始值。在本实施例中，开机次数222为一个32bit数，例如当前开机20次用十六进制数可以表示为00000014。产品序列号223为一个72bit数，例如为000901040000020208。将00000014加在000901040000020208的后面可以得到104位数，再将00000014前面16位补0，即可以得到120位初始值000000090104000002020800000014。

作为变形，还可以将00000014的高位补1，即可以得到120位初始值111100090104000002020800000014。

步骤S2：波形处理单元251利用所述初始值来产生伪随机数序列；

控制单元21将该初始值发送给波形处理单元25，波形处理单元25将该初始值加载到线性反馈移位寄存器251，并使线性反馈移位寄存器251开始移位，不断产生伪随机数序列。在本实施例当中，0x000000000000000000000000000014被加载到线性反馈移位寄存器251的120位上，虽然可以推知，上一次开机所获得的初始值为0x000000000000000000000000000013，虽然两个初始值仅仅差1，但是由于相邻数在伪随机数序列中的位置一般不连续，所以就实现了从伪随机数序列中不同位置开始移位的目的。

步骤S3：数模转换单元26将该伪随机数序列进行数模转换。

在本实施例中，取出线性反馈移位寄存器251每次移位后寄存器中低14位数，数模转换单元26将每次取出的低14位数进行数模转换，得到连续的模拟噪声信号。

作为变形，根据实际需要，还可以取出线性反馈移位寄存器251每次移位后寄存器的全部120位数，也可以取出线性反馈移位寄存器251的任意寄存器的数来进行数模转换。

本实施方式信号发生器的优点在于：由于信号发生器2的控制单元21产生一个与开机次数222和产品序列号223相关联的初始值，而开机次数222在每次开机上电后会发生改变，每台信号发生器2的产品序列号223又各不相同，因此可以保证两点：一、一台信号发生器2每次开机后所获得的初始值与上一次开机后所获得的初始值不同；二、任意两台信号发生器2在同样的开机次数下所获得的初始值也不相同。这样就改善了用户在单独多次使用一台信号发生器2、或者同时使用多台信号发生器2产生噪声相同的问题。

作为变形实施方式，信号发生器2可以在开机上电后便开始执行步骤S1和S2使线性反馈移位寄存器开始移位。当用户通过输入单元24输入一个输出噪声命令后，信号发生器2执行步骤S3开始输出噪声。

上述变形实施方式的优点在于：请参照图10，即便假设一台信号发生器2两次开机时、或者两台信号发生器2开机时所获得的初始值是相同的，即线性反馈移位寄存器是从m序列的同一个位置开始移位的，例如都是在图10中t₀时刻开始从初始值D₀开始移位，但是由于用户通过输入单元24输入输出噪声命令的时间点是随机的，当一台信号发生器2两次开机后不同时间t₁、t₂输入输出噪声命令、或者两台信号发生器2开机后不同时间t₁、t₂输入输出噪声命令，又由于m序列是周期性的，这使得t₁、t₂所对应的值D₁、D₂是不同的，因此进一步降低了输出噪声相同的可能。

Claims (10)

1.一种具有输出噪声信号功能的信号发生器，其特征在于：所述信号发生器包括一个控制单元、一个输入单元、一个非易失性存储器、一个波形处理单元和一个数模转换单元，所述输入单元、所述非易失性存储器和所述波形处理单元分别与所述控制单元相连接，所述数模转换单元与所述波形处理单元相连接，所述非易失性存储器存储有特征参数，所述特征参数包括开机次数，所述控制单元用于产生一个与所述开机次数相关联的初始值，所述的开机次数在所述的信号发生器每次开机时进行更新，所述波形处理单元用于利用所述初始值来产生伪随机数序列，所述数模转换单元用于将所述伪随机数序列进行数模转换。

2.根据权利要求1所述的信号发生器，其特征在于：所述特征参数还包括一个产品序列号，所述初始值还与所述产品序列号相关联。

3.根据权利要求2所述的信号发生器，其特征在于：所述初始值等于所述开机次数与所述产品序列号的组和。

4.根据权利要求1所述的信号发生器，其特征在于：在所述信号发生器上电之后，所述控制单元产生所述初始值，所述波形处理单元产生伪随机数序列，在所述输入单元收到一个输出噪声命令后，所述数模转换单元再将所述伪随机数序列进行数模转换。

5.根据权利要求1所述的信号发生器，其特征在于：所述波形处理单元包括一个用于产生M序列的线性反馈移位寄存器，将所述初始值作为所述线性反馈移位寄存器的初始值，将所述线性反馈移位寄存器不断移位而获得所述伪随机数序列。

6.一种用于如权利要求1所述的信号发生器的输出噪声信号的方法，包括如下步骤：

产生与所述信号发生器的特征参数中的开机次数相关联的一个初始值；

所述的开机次数在所述的信号发生器每次开机时进行更新，

利用所述初始值来产生伪随机数序列；

将所述伪随机数序列进行数模转换。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述特征参数还包括一个产品序列号，所述初始值还与所述产品序列号相关联。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述初始值等于所述开机次数与所述产品序列号的组合。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在所述信号发生器上电之后便执行步骤“产生一个与开机次数相关联的初始值”和“利用所述初始值来产生伪随机数序列”，在收到一个输出噪声命令后再执行步骤“将所述伪随机数序列进行数模转换”。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述利用所述初始值来产生伪随机数序列的步骤是：将所述初始值作为一个用于产生M序列的线性反馈移位寄存器的初始值，将所述线性反馈移位寄存器不断移位而获得所述伪随机数序列。