專利名稱:多功能隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的制作方法
多功能隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器是一種能產(chǎn)生多種概率分布和多種相關(guān)函數(shù)的隨機(jī)信號(hào)源。
近年來，雷達(dá)、通信及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域的技術(shù)正飛速發(fā)展，科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)際要求設(shè)計(jì)和制造出具有多種性能和用途的隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器，以解決檢測系統(tǒng)的測試和調(diào)試問題以及其它方面的特殊需要。近年來國內(nèi)外具有多種概率分布的噪聲發(fā)生器，大多是在數(shù)字計(jì)算機(jī)上用紙帶讀入方式或利用偽隨機(jī)序列產(chǎn)生隨機(jī)噪波，因此隨機(jī)性不夠理想，而且產(chǎn)生的噪波帶寬受計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制，要得到寬帶噪聲，就不得不使用價(jià)格昂貴的高速計(jì)算機(jī)。
據(jù)日本《三菱電技報(bào)》(1980年7月，第35-37頁)報(bào)導(dǎo)，日本研制的《雷達(dá)回波模擬器》的雜波發(fā)生器部分，實(shí)際上是用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的，由紙帶讀出器、軟磁盤及微型計(jì)算機(jī)組成，能產(chǎn)生概率密度為對(duì)數(shù)-正態(tài)、瑞利、高斯等三種雜波，能產(chǎn)生方位相關(guān)雜波。
本發(fā)明采用模擬電路，而且與前述日本的《雷達(dá)回波模擬器》的雜波發(fā)生器相比，具有更多的雜波分布種類，除了對(duì)數(shù)-正態(tài)、正態(tài)和瑞利分布外，還有指數(shù)分布、韋布爾(Weibull)分布，輸出隨機(jī)信號(hào)的相關(guān)函數(shù)也具有較多的種類寬帶、窄帶、寬帶和窄帶的疊加。
本發(fā)明的發(fā)明要點(diǎn)在于將正態(tài)分布白噪聲，經(jīng)各種非線性變換來獲得多種分布的隨機(jī)信號(hào)。然后通過各種濾波器，獲得各種相關(guān)噪波，實(shí)測證明，該信號(hào)具有良好的隨機(jī)性。
附圖1儀器結(jié)構(gòu)總框圖。
附圖2韋布爾白噪聲形成器結(jié)構(gòu)框圖。
附圖3韋布爾白噪聲形成器輸入端隨機(jī)信號(hào)的概率密度函數(shù)及振幅直方圖。
附圖4韋布爾白噪聲形成器輸入端隨機(jī)信號(hào)的概率密度函數(shù)及振幅直方圖。
附圖51/p次律變換器結(jié)構(gòu)方框圖。
附圖6對(duì)數(shù)-正態(tài)白噪聲形成器結(jié)構(gòu)框圖。
附圖7對(duì)數(shù)-正態(tài)白噪聲形成器輸入端隨機(jī)噪聲的概率密度函數(shù)及振幅統(tǒng)計(jì)直方圖。
附圖8對(duì)數(shù)-正態(tài)白噪聲形成器輸出端隨機(jī)噪聲的概率密度函數(shù)及振幅統(tǒng)計(jì)直方圖。
附圖9相關(guān)噪聲形成電路框圖。
附圖10寬帶和窄帶噪波疊加后的功率譜。
附圖11韋布爾白噪聲尺度參數(shù)測試方案。
附圖12多功能隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器最佳實(shí)施方案線路圖。
圖1所示為本儀器結(jié)構(gòu)框圖，它包括以下幾個(gè)部分正態(tài)白噪聲源〔1、2〕、韋布爾(Weibull)白噪聲形成電路〔3〕、對(duì)數(shù)正態(tài)白噪聲形成電路〔4〕、相關(guān)噪波形成電路〔5〕、功率放大器〔6〕噪聲參數(shù)測試電路〔7〕及開關(guān)元件〔8、9〕。兩個(gè)獨(dú)立正態(tài)白噪聲源產(chǎn)生的正態(tài)白噪聲，輸入到韋布爾白噪聲形成電路后，形成韋布爾白噪聲經(jīng)功放輸出，正態(tài)白噪聲經(jīng)對(duì)數(shù)-正態(tài)白噪聲形成電路后，變?yōu)閷?duì)數(shù)-正態(tài)白噪聲經(jīng)功放輸出。上述三種白噪聲形成電路作用及功放后，儀器即可輸出相應(yīng)的相關(guān)噪波。噪聲參數(shù)測試電路，可指示輸出韋布爾白噪聲的形狀及尺度參數(shù)以及其它噪波的有效電壓值。現(xiàn)對(duì)儀器各部分分別說明如下1、正態(tài)白噪聲源，用以產(chǎn)生正態(tài)分布白噪聲精心選擇齊納二極管并讓其工作在噪聲區(qū)，然后將白噪聲電流用晶體管放大，并以射隨器做緩沖級(jí)，即可獲得正態(tài)分布白噪聲。在圖13的實(shí)施例中，T1、T2、D1、C1、R1、R2、R3、R4及T2、T4、D2、C3、R5、R6、R7、R8、分別為兩個(gè)正態(tài)白噪聲源。在這里，選擇齊納二極管D1、D2是個(gè)關(guān)鍵，可選用2CW59、2CW19等，效果很好。
2、韋布爾(Weibull)噪聲形成電路，用以形成韋布爾白噪聲將正態(tài)白噪聲通過一定的非線性變換，即得到韋布爾分布白噪聲，其變換可表達(dá)為Z＝(X21+X22)1/p式中，X1及X2為兩個(gè)獨(dú)立的正態(tài)白噪聲，p為韋布爾白噪聲形狀參數(shù)。
為了實(shí)現(xiàn)上述變換，我們可以按附圖2將兩個(gè)獨(dú)立的正態(tài)白噪聲X1及X2分別經(jīng)過平方器〔10、11〕作用，然后通過加法器〔12〕求和再經(jīng)過1/p次律變換器〔13〕，在該變換器輸入端，我們就得到(形狀參數(shù)為p)的韋布爾分布白噪聲。這個(gè)變換器輸入端和輸出端的概率密度函數(shù)及振幅直方圖已標(biāo)示于附圖3及附圖4中。對(duì)上述平方器、加法器及1/p次律變換器都要求有10V以上的動(dòng)態(tài)范圍，否則會(huì)使我們感興趣小概率大振幅事件限幅，因而無法應(yīng)用于系統(tǒng)的虛警概率測試。此外，各部分的帶寬也是要考慮的因素，它一定要和我們預(yù)想的輸出噪聲帶寬相匹配。
在圖12的實(shí)施例中，RW1、M1和RW2、M2分別構(gòu)成了平方器。M1及M2可用現(xiàn)有的集成平方器或四象限乘法器。在實(shí)際應(yīng)用中，可采用國產(chǎn)FZ4四象限乘法器，可獲得3MC帶寬及10V以上的動(dòng)態(tài)范圍。圖12中的R9、R10及A1構(gòu)成了加法器，A1可采用晶體管或運(yùn)放實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入端兩個(gè)噪聲的相加運(yùn)算。若選用XFC76高速運(yùn)放可獲得10V以上的動(dòng)態(tài)范圍及3MC帶寬。
1/P次律變換器的結(jié)構(gòu)如附圖5所示。其輸入y和輸出z的變換關(guān)系為Z＝y(tǒng)1/p，為實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜的非線性變換，可先對(duì)輸入經(jīng)對(duì)數(shù)放大器〔15〕取對(duì)數(shù)，然后在比例乘法器〔16〕乘以1/p，再經(jīng)過反對(duì)數(shù)放大器〔17〕取反對(duì)數(shù)即完成了1/P律變換。
在動(dòng)態(tài)范圍、帶寬及穩(wěn)定性滿足預(yù)期指標(biāo)的前提下，對(duì)數(shù)及反對(duì)數(shù)放大器可利用PN結(jié)的非線性伏安特性實(shí)現(xiàn)。1/p次律運(yùn)算器可以利用現(xiàn)有的多功能集成器件，例如AD433J(美)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中的比例乘法器的比例因子1/p若用一分壓器調(diào)節(jié)，則輸出的韋布爾噪聲形狀參數(shù)可調(diào)。當(dāng)P＝1時(shí)，韋布爾分布過濾到負(fù)指數(shù)分布;P＝2時(shí)，過渡到瑞利分布。在附圖12的實(shí)施例中，M3是對(duì)數(shù)放大器，A2是比例乘法器，M4是反對(duì)數(shù)放大器。
3、對(duì)數(shù)-正態(tài)白噪聲形成電路正態(tài)白噪聲經(jīng)反對(duì)數(shù)變換即得到了對(duì)數(shù)-正態(tài)白噪聲，這個(gè)變換可表達(dá)為V02＝eλx式中，X是正態(tài)變量，λ為常數(shù)。
為了實(shí)現(xiàn)上述變換，我們可將正態(tài)白噪聲X經(jīng)過比例乘法器〔18〕乘λ，再經(jīng)過反對(duì)數(shù)放大器〔19〕即可完成上述變換，從而得到對(duì)數(shù)-正態(tài)白噪聲，其結(jié)構(gòu)如附圖6所示。在韋布爾白噪聲形成電路實(shí)行方案中已提及比例乘及反對(duì)數(shù)電路，這里要求相同，可以共用。
在附圖7及附圖8中我們還示出了這個(gè)形成器的輸入端和輸出端的隨機(jī)噪聲幅度統(tǒng)計(jì)直方圖及概率密度函數(shù)。
4、相關(guān)噪波的形成電路白噪聲分別通過中心頻率可調(diào)窄帶濾波器〔20〕及低通濾波器〔21〕后，將經(jīng)過過濾的白噪聲在疊加電路〔22〕求和，即得到各種相關(guān)性噪波，其結(jié)構(gòu)如附圖9所示?，F(xiàn)將各部分分述如下
(1)中心頻率可調(diào)窄帶濾波器從白噪聲中濾出窄帶相關(guān)噪波要求中心頻率可變，可采用現(xiàn)有的各類有源帶通濾波電路，也可用晶體管或運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。在附圖12的實(shí)施例中，運(yùn)放A3、A4、A5、電容C5、C6及電阻R27、R28、R29R30、R31、R32、R33、R34、R35、R36，電位器RW5、RW6構(gòu)成了中心頻率可調(diào)窄帶濾波器。
(2)低通濾波器用一組LC或RC低通濾波器可從白噪聲中濾出各種寬度的寬帶相關(guān)噪波，也可采用現(xiàn)有技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。
(3)寬帶和窄帶噪波的疊加電路用加法器將上述兩種噪波疊加起來，用以模擬機(jī)載脈沖多卜勒雷達(dá)的背景雜波，其功率譜如附圖10所示。
在附圖12的實(shí)施例中可見，用普通運(yùn)放A3、A4和A5構(gòu)成了有源帶通濾波器，調(diào)節(jié)雙連電位器RW5、RW6，可使中心頻率改變。輸入端的白噪聲經(jīng)濾波器過濾后，在A5輸出端得到了窄帶白噪聲，其中心頻率可變。低通濾波器是采用的幾組RC低通濾波器，以獲得不同帶寬的寬帶噪聲。運(yùn)放A6及電阻R37、R38、R39、R40構(gòu)成了疊加電路，這樣，在該電路輸出端得到了如附圖10所示的雜波。
5、噪聲參數(shù)測試電路(1)韋布爾(Weibull)白噪聲參數(shù)測試電路韋布爾白噪聲的概率密度函數(shù)為f(Z)＝(p/q)(z/q)p-1·e-(z/q)p式中，p為形狀參數(shù)，q為尺度參數(shù)。
如前所述，在1/p次律變換器實(shí)現(xiàn)過程中的比例因子1/p是人為裝定的，用一組分壓器調(diào)節(jié)，這可由面版上分壓器分壓比刻度直接讀出，該刻度即指出了韋布爾噪聲的p參數(shù)。
按公式m＝qΓ(1/p+1)，式中的m是韋布爾白噪聲平均值，q是尺度參數(shù)，Γ(·)為Γ函數(shù)。
由上式顯見，在給定條件下，用電壓表〔23〕測得的噪聲均值m是和q成正比的，其比例系數(shù)為Γ(1/p+1)，即m衰減Γ(1/p+1)倍即為q值，其電路如附圖11。在圖11中，V〔23〕是一個(gè)內(nèi)阻為r的電壓表，它與一個(gè)可變電阻值為R的衰減器〔24〕相串聯(lián)，噪聲經(jīng)此電壓表與串聯(lián)衰減器后，輸出韋布爾白噪聲尺度參數(shù)。衰減器〔24〕的計(jì)算應(yīng)以給定p為前提R＝〔Γ(1/p+1)-1〕r。
在附圖12中，實(shí)現(xiàn)附圖11中所說的方案的電路由微安表、與微安表串聯(lián)的電位器及二極管D6、D7及一系列電阻R42至R52組成。若測試開關(guān)K2b和1/p次律變換器中的衰減開關(guān)K2a同軸，在附圖12中，假設(shè)了表頭靈敏度為100uA，內(nèi)阻為r，表頭滿度時(shí)q＝2.5。按公式q＝m/Γ(1/p+1)而設(shè)計(jì)的。當(dāng)開關(guān)K6置于1時(shí)，我們可用以測試韋布爾白噪聲尺度參數(shù)q。
(2)正態(tài)白噪聲參數(shù)測試正態(tài)分布噪聲的概率密度函數(shù)可表示為f(x)＝( 1 /2 πλ ) · e- (X2/ 2 λ2)]]>式中參數(shù)λ是該隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)差，實(shí)際上λ即是該隨機(jī)噪聲的有效值。因此只要測定噪聲的有效值就得到了λ。有效值測定電路常用在交流萬用表中，容易實(shí)現(xiàn)。這一電路也可同時(shí)用作其它分布的獨(dú)立或相關(guān)噪聲的有效值測量。
在附圖12中當(dāng)開關(guān)K6置于2時(shí)，二極管D6、D7、及電位器RW8與微安表一起構(gòu)成了有效值測量電路，D6及D7可選用2AP10。
在圖12中所示的實(shí)例中，三極管T5及T6、二極管D3、D4、D5與電阻R41及正負(fù)電源一起構(gòu)成了功率放大器。電阻R53及R60是輸出衰減電阻。
本發(fā)明具有多種功能，可做為雷達(dá)回波模擬器的重要組成部分，雷達(dá)回波模擬器是國家急需而又難于進(jìn)口的貴重儀器;它可做為研究測試通信、聲納系統(tǒng)檢測性能的噪聲源;若作為電子對(duì)抗所需用的干擾機(jī)的噪聲源與過去所用的噪聲源相比，可望獲得更佳的效果;它還可以用來測試遙控、遙測系統(tǒng)的抗干擾性能及系統(tǒng)極限靈敏度;本發(fā)明可用于生物醫(yī)學(xué)工程，為研究噪聲污染對(duì)人體及生物體影響提供模擬噪聲源;應(yīng)用本發(fā)明產(chǎn)生的超聲段噪聲，可望開發(fā)防止害蟲、害獸的新方法。本發(fā)明可全部采用國產(chǎn)元器件實(shí)現(xiàn)，成本低，易維修。
權(quán)利要求
1.一種多功能隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器，它包括兩個(gè)正態(tài)白噪聲源[1、2]、功放電路[6]及開關(guān)元件[8、9]，其特征在于它還包括韋布爾(Weibull)白噪聲形成電路[3]，對(duì)數(shù)-正態(tài)白噪聲形成電路[4]、相關(guān)噪波形成電路[5]及噪聲參數(shù)測試電路[7]；兩個(gè)獨(dú)立的正態(tài)白噪聲源輸入到韋布爾計(jì)噪聲形成電路經(jīng)功放電路輸出韋布爾白噪聲；一個(gè)正態(tài)白噪聲經(jīng)對(duì)數(shù)-正態(tài)白噪聲電路至功放電路后輸出對(duì)數(shù)-正態(tài)白噪聲；以上三種白噪聲經(jīng)相關(guān)噪波形成電路至功放后可輸出相應(yīng)的相關(guān)噪波；功放輸出的一部分輸出信號(hào)經(jīng)過噪聲參數(shù)測試電路，可指示輸出的韋布爾白噪聲形狀參數(shù)及尺度參數(shù)以及其它噪波電壓的有效值。
2.如權(quán)利要求
1中所說的韋布爾白噪聲形成電路，其特征在于它是由兩個(gè)平方器〔10、11〕、加法器〔12〕。1/P次律變換器〔13〕構(gòu)成;二個(gè)正態(tài)白噪聲X1、X2經(jīng)過平方器作用后，通過加法器求和再經(jīng)過1/P次律變換器進(jìn)行非線性變換后得到了Z＝(X21+X22)1/P的韋布爾分布白噪聲。
3.如權(quán)利要求
2中所說的1/P次律變換器，其特征在于它是由對(duì)數(shù)放大器〔15〕、比例乘法器〔16〕反對(duì)數(shù)放大器〔17〕構(gòu)成;經(jīng)過平方及求和的二個(gè)白噪聲，通過對(duì)數(shù)放大器〔15〕取對(duì)數(shù)后在比例乘法器〔16〕乘以1/P，其乘積結(jié)果再進(jìn)入反對(duì)數(shù)放大器〔17〕取反對(duì)，完成了Z＝Y(jié)1/P非線性變換。
4.如權(quán)利要求
1中所說的對(duì)數(shù)-正態(tài)白噪聲形成電路，其特征在于它是由比例乘法器〔18〕及反對(duì)數(shù)放大器〔19〕構(gòu)成;正態(tài)白噪聲經(jīng)比例乘法器后饋入反對(duì)數(shù)放大器，在反對(duì)數(shù)放大器輸出端取出V02＝eλx的對(duì)數(shù)-正態(tài)白噪聲信號(hào);比例乘法器〔18〕和反對(duì)數(shù)放大器〔19〕可與1/P次律變換器中的比例乘法器〔16〕及反對(duì)數(shù)放大器〔17〕共用。
5.如權(quán)利要求
1中所說的相關(guān)噪波形成電路，其特征在于它可由中心頻率可調(diào)窄帶濾波器〔20〕、低通濾波器〔21〕及疊加電路〔22〕構(gòu)成;正態(tài)白噪聲X分成兩路分別饋入中心頻率可調(diào)窄帶濾波器〔20〕及低通濾波器〔21〕過濾后，在疊加電路〔22〕將兩種噪波疊加起來，可用以產(chǎn)生機(jī)載脈沖多卜勒雷達(dá)的背景雜波模擬信號(hào)。
6.如權(quán)利要求
1中所說的噪聲參數(shù)測試電路，其特征在于它可分為韋布爾白噪聲參數(shù)測試電路和正態(tài)白噪聲參數(shù)測試電路兩大部分。
7.如權(quán)利要求
6中所說的韋布爾白噪聲參數(shù)測試電路，其特征在于它是由一個(gè)內(nèi)阻為r的電壓表〔23〕與電阻值為R＝〔Γ(1/P+1)-1〕r可變衰減器〔24〕串聯(lián)構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求
6中所說的正態(tài)白噪聲參數(shù)測試電路，其特征在于它是以測量正態(tài)白噪聲的有效值來確定正態(tài)白噪聲概率密度函數(shù)f(X)＝(1 /2 πλ )e- (X2/ 2 λ2)]]>中該隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)差。
9.如權(quán)利要求
6中所說的正態(tài)白噪聲參數(shù)測試電路，其特征在于它也可同時(shí)用做其它分布的獨(dú)立或相關(guān)噪波的有效值測量。
10.如權(quán)利要求
1中所說的隨機(jī)信號(hào)源，其特征在于它可采用模擬電路來實(shí)現(xiàn)，也可采用集成電路來實(shí)現(xiàn)。
專利摘要
多功能隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器采用模擬電路產(chǎn)生正態(tài)白噪聲，經(jīng)各種非線性變換獲得了對(duì)數(shù)一一正態(tài)、正態(tài)、瑞利、指數(shù)、韋布爾(Weibull)等概率密度分布函數(shù)，可輸出寬帶、窄帶及寬帶和窄帶的疊加等相關(guān)函數(shù)的隨機(jī)信號(hào)，并可直接指示韋布爾白噪聲的形狀參數(shù)及尺度參數(shù)、正態(tài)白噪聲概率密度函數(shù)隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)差入以及其它分布的獨(dú)立或相關(guān)噪聲的有效值測量。
文檔編號(hào)G06G7/48GK85102755SQ85102755
公開日1986年9月10日 申請(qǐng)日期1985年4月1日
發(fā)明者盧定慶 申請(qǐng)人:四川大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan