[发明专利]一种产生任意方差高斯白噪声的方法

说明书

本发明公开了一种产生任意方差高斯白噪声的方法，将m序列发生器的输出通过FIR滤波器进行滤波，输出的序列合并后通过数模转换器转换成模拟信号，再进行线性放大和滤波，以得到宽带噪声信号，其中在FIR滤波器和数模转换器之间增加任意方差高斯噪声映射模块，利用概率统计方法和曲线映射法，将输出的噪声源信号，映射为方差可以任意调节的高斯白噪声信号。本发明在不付出太大代价的同时，增加了新的功能，噪声源能够根据用户的需求调节方差，产生不同的波形，适应相同功率下不同信噪比下噪声的产生，有效增加了测试场景和测试用例，扩展了噪声源的使用场景。

技术领域

本发明涉及噪声发生器技术领域，尤其涉及一种产生任意方差高斯白噪声的方法。

背景技术

高斯白噪声源在工程调试阶段有着广泛的用途，可以用来模拟星地之间，以及接收机信道设备带来的噪声，从而测试接收机的性能指标。

目前，噪声发生器分为物理噪声发生器和数字噪声发生器。物理噪声发生器精度高，但是实现电路复杂。为了快速方便地获得宽带高斯白噪声，下文讨论了一种基于FPGA的噪声产生方法，并结合相应的硬件平台，将数字信号量化后进行输出。

当前高斯白噪声的数字合成的一般方法是先产生均匀分布的白噪声，然后通过转换将均匀分布变为高斯分布从而得到高斯白噪声。文献《高斯白噪声发生器在FPGA中的实现》（黄本雄等）首先采用Tausworthe算法生成均匀分布的白噪声，然后通过查表法实现均匀分布白噪声到高斯白噪声的转化。文献《高性能可编程高斯白噪声的设计与实现》（蒋乐等）则先采用lagged-Fibonacci算法生成均匀分布的随机序列，然后通过公式法产生高斯白噪声。而文献《用FPGA产生高斯白噪声序列的一种快速方法》（管宇等）利用Ｍ序列发生器产生均匀分布随机数，通过15段折线逼近法实现了高斯白噪声序列。

高斯白噪声的产生原理描述：

宽带噪声发生器的系统结构如图１所示，设计的核心是m序列发生器（最长线性反馈移位寄存器）和FIR滤波器（有限长单位冲激响应滤波器）。设计的m序列发生器有4路输出，通过FIR多相滤波器进行滤波，输出的序列合并成2路信号后通过DAC（数字模拟转换器）转换成模拟信号，再进行线性放大和滤波，就得到宽带噪声信号。

（1）m序列产生

伪随机序列是具有某种随机特性的确定的序列，它既具有随机统计特性，又可以重复产生，因此获得了广泛的应用。m序列就是一种常用的伪随机序列，它是最长线性反馈移位寄存器序列的简称。m序列自Shannon信息论诞生后得到了广泛研究，目前理论比较成熟，已得到广泛应用。线性反馈移位寄存器是产生m序列的主要功能模块，如果线性反馈移位寄存器选择的级数是n，则m序列的重复周期可为2^ｎ-1。将m序列产生的数据看成无符号整数，则数据的取值范围为1~2^ｎ-1，并且在一个重复周期内，每一个无符号整数出现且只出现一次。因此利用m序列产生的数据是服从均匀分布的随机数。

m序列是最长线性移位寄存器，是由移位寄存器加反馈后形成的。其结构如图1所示。图中a_n-i（i =1,2,3,…,r）为移位寄存器中每位寄存器的状态；c_i（i =1,2,3,…,r）为第i位寄存器的反馈系数。当c_i=0时，表示无反馈；当c_i=1时，表示有反馈。在此结构中c₀=c_r=1，c₀不能为0，c₀为0就不能构成周期性的序列，因为c₀=0意味着无反馈，为静态移位寄存器。c_r也不能为0，即第r位寄存器一定要参加反馈，否则，r级的反馈移位寄存器将减化为r-1级的或更低的反馈移位寄存器。不同的反馈逻辑，即c_i（i =1,2,3,…,r）取不同的值，将产生不同的移位寄存器。其公式表达式为：