滚降噪声源能够驱动耳机或小型扬声器的音频噪声发生器

现代通讯电子设备的抗干扰测试己经成为必须的测试项目，主要的干扰类型为噪声干扰。在通信信道测试和电子对抗领域里，噪声始终是声始终是最基本、最常用的干扰源之一。如何产生稳定和精确的噪声信号已经成为一个重要的研究领域。其中，带限白噪声信号时间相关性小，目前应用最广泛。现有的硬件高斯白噪声发生器通常分为物理噪声发生器和数字噪声发生器两类，数字噪声发生器虽然没有物理噪声发生器的精度高，但是实现电路较为简单，易于应用。

滚降噪声源能够驱动耳机或小型扬声器的音频噪声发生器

这是一个产生白噪声的电路，会滚降以驱动耳机或小型扬声器。白噪声产生的是一种“ rush”的声音，听起来像是您的耳朵在吹着空气。白噪声会随频率变化而平坦，并且由于该电路会在音频范围内滚降，因此我将其称为“滚降”噪声。据说白噪声(或滚降噪声)可用于帮助人们提高注意力，制造“噪音墙”以改善隐私，用声音填充空白空间，使他们不会感到那么空虚(较大的声音做了很多办公大楼)，并被吹捧为耳鸣疗法(耳鸣)。

如果您决定建立并使用此电路来驱动EPHPHONES或扬声器，则您将自行承担风险。请务必谨慎使用，否则可能会永久损坏您的听力。

怎么运行的?

Q2是接地的发射极(反相)放大器，其反馈路径中带有Q1。请注意，Q1以“上下颠倒”的方式连接，因为发射极相对于其基极为正，因此结雪崩，结两端下降约5至6伏。Q2的目的是提供足够的偏置电流，以使Q1的发射极-基极击穿，并且在这种情况下，Q2两端也将出现一毫伏或两伏的宽带噪声。

请注意，Q1的集电极没有连接任何东西。在2003年7月的版本中，Q1的集电极连接到Q2的基极，但是自那以后，我了解到有些晶体管在以这种方式连接时表现出负阻抗特性，因此对电路进行了修改，以从基极获取电流信号。而不是收藏家。

A1是一个电压跟随器，用于缓冲由连接到其同相输入的两个470k电阻所产生的50%的电池电压。50%的电压用作芯片上其他三个放大器的DC偏置电源。

A2和A3分别提供50倍的增益，总增益为2500倍。LM324的开环增益与频率的关系图显示，带宽在大约5 kHz时截取了50X增益点，因此该滤波可以使噪声“变色”。您选择的耳机或扬声器也会使信号变色。您可以通过在一个或两个20k电阻器之间放置一个小电容器来获得一些带宽。在我使用的耳机中，将一个.001 uF电容器跨接在一个20k电阻器中几乎是正确的。通过在1兆欧的反馈电阻上放一些小电阻(例如5至100 pF)，可以降低噪声。不要害怕尝试-无论如何这都是有趣的部分。

A3和A4结合在一起构成全桥输出。举例来说：A4是一个单位增益反相放大器，由A3的输出驱动。由于来自A4的信号与来自A3的信号相同，但取反，连接两个输出的耳机的电压将是两个输出的两倍-一种方便的方法以获得另外6 db的增益，但更重要的是，一种获取信号的方法避免使用大的耦合电容器来驱动耳机通过。

在我的设置中，我正在驱动一对“耳塞”，并且将它们串联连接以提供我可以获得的最高阻抗-LM324不能驱动太多电流，但是在这种全桥配置中，它们可以提供接近14伏的电压负载峰峰值。

通过从A3或A4获取单端输出，可以使用该电路来驱动音频放大器。如果您决定直接从LM342驱动高阻抗扬声器，请查看计划使用的LM324的数据表，并确保不超过最大额定电流，否则您可能会发现滚降噪声发生器会短暂的。

建立它

与我的大多数项目一样，它不需要PC板。我在一块穿孔的PC板上构建了我的设备，并且工作正常。保持小而紧。尤其要使两个晶体管彼此靠近，并使它们的引线短。发射极接地的基极是电路的一个特别敏感的部分。由于音量控制是由低阻抗驱动的，因此实际上不需要将音量控制放在板上(不在我的主板上)。

晶体管不必是2N4401。它们可以是许多小信号NPN晶体管中的任何一个。例如，2N2222应该运作良好。1 uF电容器的值并不那么重要。我选择它们是为了获得快速建立时间，而增益级(A2和A3)中的增益则被选择用于10 Hz低频衰减，远低于大多数扬声器和耳机的响应。您可以使用更大的值，但大功率电容器会在电源关闭后增加建立时间。

FPGA技术的发展，提高了硬件噪声发生器的速度和性能，相比基于软件实现的噪声发生器，展现出更大的优势。本文设计的高斯白噪声发生器采用FPGA的方式实现，输出的基带白噪声带宽可调，范围为1～66 MHz，步进3 MHz，幅度8位可调，同时可产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等函数波，通过更改现场可编程器件的配置波形数据也可产生其他复杂函数波形。

l 高斯白噪声发生器原理

本文所述的高斯白噪声发生器如图1所示。

首先，在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)平台上以一个统一的时钟速度(以后称之为噪声发生速度，即f0)生成高速m序列伪随机码流，对该序列进行有限冲击响应(Finite Impulse Response，FIR)数字滤波处理，得到带限白噪声数字序列，同时在FPGA中实现直接数字综合(Direct Digital Synthesizer，DDS)算法，产生正弦数字序列，并与噪声序列合成;其次，将以上得到的数字序列通过高速数/模转换器(Digital Analog Converter，DAC)转换为模拟噪声信号;再次，通过LC低通滤波器以及放大器转换为模拟带限白噪声和正弦信号，该信号即为基带白噪声信号。下面对涉及的基本算法进行分析和仿真。

高斯白噪声发生方法中涉及伪随机码发生算法、数字滤波算法和正弦波发生算法。本文详细论述这几种算法，及其在FPGA上的实现方法，分析了各种算法在频域上的频谱特性。

2 高斯白噪声发生器算法分析

2.1 伪随机码发生算法

伪随机码(Pseudo-random Sequence，PS)的性能指标直接影响产生白噪声的随机性，是系统设汁的关键。通常产生伪随机码的电路为一反馈移存器，分为线性和非线性两类。前者产生周期最长的二进制数字序列为最大长度线性反馈移存器序列，简称m序列。本文采用的就是m序列伪随机码。

产生m序列的反馈移存器的递推方程可以写为：

它给出了移位输入an与移位前各级状态的关系。

特征多项式写为：

它决定了移位寄存器的反馈连接和序列的结构。

m序列的自相关函数可表示为：

式(3)为一个周期(m=2n-1)内的函数，其中Tn为伪随机噪声码元的宽度。整个时域的自相关函数的周期为m=2n-1。信号的自相关函数与功率谱密度构成一对傅里叶变换，因此m序列的自相关函数经过傅里叶变换，其功率谱密度为：

假定零频处的功率为1，那么功率下降为0.5处的频率为：

其典型的功率谱密度如图2所示。

由图2可以看出，m序列的功率谱密度的包络是[(sin x)/x]2形的，它约在伪随机序列基本时钟频率的45%带宽内具有均匀功率谱密度，所以用滤波器滤除该频带内的信号就可以近似看作带限白噪声。m序列的均衡性、游程分布、自相关特性和功率谱与随机序列的基本性质很相似，所以m序列属于伪噪声的序列或伪随机序列。

2.2 FIR数字滤波算法

m序列的功率谱是固定的，要生成带宽可调的数字噪声序列需要对m序列进行低通数字滤波，本文采用的是FIR数字滤波器。

由Lindeberg定理可知，设有独立随机变量序列

该定理证明了由大量微小且独立的随机因素引起，并积累而成的变量，必是一个正态随机变量。FIR滤波器的单位冲激响应为h(n)，0≤n≤N一1，输入函数为x(i)，则输出函数y(i)可以写为：

该算法需要N次相乘，N-1次累加。为了产生带宽小于5 MHz高质量的数字噪声序列，需要构建窄通带、通带阻带转换迅速的低通滤波器，对此仅仅增加单级FIR滤波的冲激相应长度n是不够的，对此本文采用了多级FIR数字滤波的方法。为了使得多路多级FIR滤波器能够在常用FPGA平台上实现，对FIR数字滤波模型进行算法优化，以节约所需逻辑单元资源是很有必要的。

采用单位冲激相应h(n)为偶函数的FIR滤波器，并取阶数N为奇数，则式(6)可以化简为：

采用该方法可以将FIR算法中乘的次数减半，总计算量减为(N+1)/2次相乘，N-2次累加，极大地节省了FPGA的逻辑单元资源。FIR的滤波过程实质上就是一个延迟后加权相加的过程，即滤波输出y(i)是输入x(i)以及它的前N一1个状态的加权叠加。

2.3 DDS算法

随着数字集成电路和微电子技术的发展，直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)逐渐体现出其具有相对带宽宽，频率转换时间短，频率分辨率高，输出相位连续，可编程及全数字化结构等优点。

DDS的基本工作原理是根据正弦函数的产生，从相位出发，用不同的相位给出不同的电压幅度，最后滤波平滑出所需要的频率。图3是DDS的原理方框图。

参考频率源又称参考时钟源，它是一个稳定的晶体振荡器，用来同步DDS的各组成部分。相位累加器类似于一个计数器，它由多个级联的加法器和寄存器组成，在每一个参考时钟脉冲输入时，它的输出就增加一个步长的相位增量值，这样相位累加器把频率控制字K的数字变换成相位抽样来确定输出合成频率的大小。相位增量的大小随外指令频率控制字K的不同而不同，一旦给定了相位增量，输出频率也就确定了。当用这样的数据寻址时，正弦查表就把存储在相位累加器中的抽样数字值转换成近似正弦波幅度的数字量函数。以上的算法都可在FPGA内部实现。

3 实验结果

本文的FPGA平台选用Altera公司的EP2C8现场可编程逻辑器件，完成所有m序列、FIR数字滤波和DDS算法，需要FPGA 86%的逻辑单元资源和1%的RAM资源;时钟采用50MHz、稳定度为50 ppm的有源晶振，通过EP2C8内部PLL(Phase Locked Loop，锁相环)3倍频到150 MHz作为系统全局时钟;采用ADI公司的AD9731进行D/A转换，采样速度150 MSPS，10位;对AD9731输出的电流信号进行7阶LC低通滤波，然后进行放大，使得噪声信号的满幅输出都达到峰峰值3V。图4是频率为195 kHz最大输出幅度的四种函数波测试结果。

从图4可以看出，采用DDS模块，得到了正弦波、三角波、锯齿波和方波的波形。图5为该噪声和函数波发生器产生的5 MHz噪声的实验结果，图6是输出带宽为5 MHz的高斯白噪声统计直方图。

从图5和图6可以看出，基于FPGA的m序列发生算法，FIR滤波算法和DDS算法，通过数/模转换和低通放大后，本文设计的噪声发生器产生的5 MHz噪声的3 dB，带宽为4.8 MHz，带内平坦度为±1.5 dB，输出噪声的统计特性服从高斯分布，满足了设计需要。

加速度传感器应用于地震检波器设计

地震检波器是用于地质勘探和工程测量的专用传感器，是一种将地面振动转变为电信号的传感器，能把地震波引起的地面震动转换成电信号，经过模/数转换器转换成二进制数据、进行数据组织、存储、运算处理。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，典型应用在手机、笔记本电脑、步程计和运动检测等。

加速度传感器技术应用于车祸报警

在汽车工业高速发展的现代，汽车成为了人们出行主要的交通工具之一，但是因交通事故的伤亡数量也十分巨大。在信息化的现代利用高科技去挽救人的生命将会是重大研究的主题之一，基于加速度的车祸报警系统正是怀着这种设计理念，相信这种系统的推广，会给汽车行业带来更多的安全。

加速度传感器应用于监测高压导线舞动

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