滾降噪聲源能夠驅(qū)動耳機或小型揚聲器的音頻噪聲發(fā)生器

現(xiàn)代通訊電子設(shè)備的抗干擾測試己經(jīng)成為必須的測試項目，主要的干擾類型為噪聲干擾。在通信信道測試和電子對抗領(lǐng)域里，噪聲始終是聲始終是最基本、最常用的干擾源之一。如何產(chǎn)生穩(wěn)定和精確的噪聲信號已經(jīng)成為一個重要的研究領(lǐng)域。其中，帶限白噪聲信號時間相關(guān)性小，目前應(yīng)用最廣泛?，F(xiàn)有的硬件高斯白噪聲發(fā)生器通常分為物理噪聲發(fā)生器和數(shù)字噪聲發(fā)生器兩類，數(shù)字噪聲發(fā)生器雖然沒有物理噪聲發(fā)生器的精度高，但是實現(xiàn)電路較為簡單，易于應(yīng)用。

滾降噪聲源能夠驅(qū)動耳機或小型揚聲器的音頻噪聲發(fā)生器

這是一個產(chǎn)生白噪聲的電路，會滾降以驅(qū)動耳機或小型揚聲器。白噪聲產(chǎn)生的是一種“ rush”的聲音，聽起來像是您的耳朵在吹著空氣。白噪聲會隨頻率變化而平坦，并且由于該電路會在音頻范圍內(nèi)滾降，因此我將其稱為“滾降”噪聲。據(jù)說白噪聲(或滾降噪聲)可用于幫助人們提高注意力，制造“噪音墻”以改善隱私，用聲音填充空白空間，使他們不會感到那么空虛(較大的聲音做了很多辦公大樓)，并被吹捧為耳鳴療法(耳鳴)。

如果您決定建立并使用此電路來驅(qū)動EPHPHONES或揚聲器，則您將自行承擔風險。請務(wù)必謹慎使用，否則可能會永久損壞您的聽力。

怎么運行的?

Q2是接地的發(fā)射極(反相)放大器，其反饋路徑中帶有Q1。請注意，Q1以“上下顛倒”的方式連接，因為發(fā)射極相對于其基極為正，因此結(jié)雪崩，結(jié)兩端下降約5至6伏。Q2的目的是提供足夠的偏置電流，以使Q1的發(fā)射極-基極擊穿，并且在這種情況下，Q2兩端也將出現(xiàn)一毫伏或兩伏的寬帶噪聲。

請注意，Q1的集電極沒有連接任何東西。在2003年7月的版本中，Q1的集電極連接到Q2的基極，但是自那以后，我了解到有些晶體管在以這種方式連接時表現(xiàn)出負阻抗特性，因此對電路進行了修改，以從基極獲取電流信號。而不是收藏家。

A1是一個電壓跟隨器，用于緩沖由連接到其同相輸入的兩個470k電阻所產(chǎn)生的50%的電池電壓。50%的電壓用作芯片上其他三個放大器的DC偏置電源。

A2和A3分別提供50倍的增益，總增益為2500倍。LM324的開環(huán)增益與頻率的關(guān)系圖顯示，帶寬在大約5 kHz時截取了50X增益點，因此該濾波可以使噪聲“變色”。您選擇的耳機或揚聲器也會使信號變色。您可以通過在一個或兩個20k電阻器之間放置一個小電容器來獲得一些帶寬。在我使用的耳機中，將一個.001 uF電容器跨接在一個20k電阻器中幾乎是正確的。通過在1兆歐的反饋電阻上放一些小電阻(例如5至100 pF)，可以降低噪聲。不要害怕嘗試-無論如何這都是有趣的部分。

A3和A4結(jié)合在一起構(gòu)成全橋輸出。舉例來說：A4是一個單位增益反相放大器，由A3的輸出驅(qū)動。由于來自A4的信號與來自A3的信號相同，但取反，連接兩個輸出的耳機的電壓將是兩個輸出的兩倍-一種方便的方法以獲得另外6 db的增益，但更重要的是，一種獲取信號的方法避免使用大的耦合電容器來驅(qū)動耳機通過。

在我的設(shè)置中，我正在驅(qū)動一對“耳塞”，并且將它們串聯(lián)連接以提供我可以獲得的最高阻抗-LM324不能驅(qū)動太多電流，但是在這種全橋配置中，它們可以提供接近14伏的電壓負載峰峰值。

通過從A3或A4獲取單端輸出，可以使用該電路來驅(qū)動音頻放大器。如果您決定直接從LM342驅(qū)動高阻抗揚聲器，請查看計劃使用的LM324的數(shù)據(jù)表，并確保不超過最大額定電流，否則您可能會發(fā)現(xiàn)滾降噪聲發(fā)生器會短暫的。

建立它

與我的大多數(shù)項目一樣，它不需要PC板。我在一塊穿孔的PC板上構(gòu)建了我的設(shè)備，并且工作正常。保持小而緊。尤其要使兩個晶體管彼此靠近，并使它們的引線短。發(fā)射極接地的基極是電路的一個特別敏感的部分。由于音量控制是由低阻抗驅(qū)動的，因此實際上不需要將音量控制放在板上(不在我的主板上)。

晶體管不必是2N4401。它們可以是許多小信號NPN晶體管中的任何一個。例如，2N2222應(yīng)該運作良好。1 uF電容器的值并不那么重要。我選擇它們是為了獲得快速建立時間，而增益級(A2和A3)中的增益則被選擇用于10 Hz低頻衰減，遠低于大多數(shù)揚聲器和耳機的響應(yīng)。您可以使用更大的值，但大功率電容器會在電源關(guān)閉后增加建立時間。

FPGA技術(shù)的發(fā)展，提高了硬件噪聲發(fā)生器的速度和性能，相比基于軟件實現(xiàn)的噪聲發(fā)生器，展現(xiàn)出更大的優(yōu)勢。本文設(shè)計的高斯白噪聲發(fā)生器采用FPGA的方式實現(xiàn)，輸出的基帶白噪聲帶寬可調(diào)，范圍為1～66 MHz，步進3 MHz，幅度8位可調(diào)，同時可產(chǎn)生正弦波、三角波、鋸齒波、方波等函數(shù)波，通過更改現(xiàn)場可編程器件的配置波形數(shù)據(jù)也可產(chǎn)生其他復(fù)雜函數(shù)波形。

l 高斯白噪聲發(fā)生器原理

本文所述的高斯白噪聲發(fā)生器如圖1所示。

首先，在現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)平臺上以一個統(tǒng)一的時鐘速度(以后稱之為噪聲發(fā)生速度，即f0)生成高速m序列偽隨機碼流，對該序列進行有限沖擊響應(yīng)(Finite Impulse Response，F(xiàn)IR)數(shù)字濾波處理，得到帶限白噪聲數(shù)字序列，同時在FPGA中實現(xiàn)直接數(shù)字綜合(Direct Digital Synthesizer，DDS)算法，產(chǎn)生正弦數(shù)字序列，并與噪聲序列合成;其次，將以上得到的數(shù)字序列通過高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(Digital Analog Converter，DAC)轉(zhuǎn)換為模擬噪聲信號;再次，通過LC低通濾波器以及放大器轉(zhuǎn)換為模擬帶限白噪聲和正弦信號，該信號即為基帶白噪聲信號。下面對涉及的基本算法進行分析和仿真。

高斯白噪聲發(fā)生方法中涉及偽隨機碼發(fā)生算法、數(shù)字濾波算法和正弦波發(fā)生算法。本文詳細論述這幾種算法，及其在FPGA上的實現(xiàn)方法，分析了各種算法在頻域上的頻譜特性。

2 高斯白噪聲發(fā)生器算法分析

2.1 偽隨機碼發(fā)生算法

偽隨機碼(Pseudo-random Sequence，PS)的性能指標直接影響產(chǎn)生白噪聲的隨機性，是系統(tǒng)設(shè)汁的關(guān)鍵。通常產(chǎn)生偽隨機碼的電路為一反饋移存器，分為線性和非線性兩類。前者產(chǎn)生周期最長的二進制數(shù)字序列為最大長度線性反饋移存器序列，簡稱m序列。本文采用的就是m序列偽隨機碼。

產(chǎn)生m序列的反饋移存器的遞推方程可以寫為：

它給出了移位輸入an與移位前各級狀態(tài)的關(guān)系。

特征多項式寫為：

它決定了移位寄存器的反饋連接和序列的結(jié)構(gòu)。

m序列的自相關(guān)函數(shù)可表示為：

式(3)為一個周期(m=2n-1)內(nèi)的函數(shù)，其中Tn為偽隨機噪聲碼元的寬度。整個時域的自相關(guān)函數(shù)的周期為m=2n-1。信號的自相關(guān)函數(shù)與功率譜密度構(gòu)成一對傅里葉變換，因此m序列的自相關(guān)函數(shù)經(jīng)過傅里葉變換，其功率譜密度為：

假定零頻處的功率為1，那么功率下降為0.5處的頻率為：

其典型的功率譜密度如圖2所示。

由圖2可以看出，m序列的功率譜密度的包絡(luò)是[(sin x)/x]2形的，它約在偽隨機序列基本時鐘頻率的45%帶寬內(nèi)具有均勻功率譜密度，所以用濾波器濾除該頻帶內(nèi)的信號就可以近似看作帶限白噪聲。m序列的均衡性、游程分布、自相關(guān)特性和功率譜與隨機序列的基本性質(zhì)很相似，所以m序列屬于偽噪聲的序列或偽隨機序列。

2.2 FIR數(shù)字濾波算法

m序列的功率譜是固定的，要生成帶寬可調(diào)的數(shù)字噪聲序列需要對m序列進行低通數(shù)字濾波，本文采用的是FIR數(shù)字濾波器。

由Lindeberg定理可知，設(shè)有獨立隨機變量序列

該定理證明了由大量微小且獨立的隨機因素引起，并積累而成的變量，必是一個正態(tài)隨機變量。FIR濾波器的單位沖激響應(yīng)為h(n)，0≤n≤N一1，輸入函數(shù)為x(i)，則輸出函數(shù)y(i)可以寫為：

該算法需要N次相乘，N-1次累加。為了產(chǎn)生帶寬小于5 MHz高質(zhì)量的數(shù)字噪聲序列，需要構(gòu)建窄通帶、通帶阻帶轉(zhuǎn)換迅速的低通濾波器，對此僅僅增加單級FIR濾波的沖激相應(yīng)長度n是不夠的，對此本文采用了多級FIR數(shù)字濾波的方法。為了使得多路多級FIR濾波器能夠在常用FPGA平臺上實現(xiàn)，對FIR數(shù)字濾波模型進行算法優(yōu)化，以節(jié)約所需邏輯單元資源是很有必要的。

采用單位沖激相應(yīng)h(n)為偶函數(shù)的FIR濾波器，并取階數(shù)N為奇數(shù)，則式(6)可以化簡為：

采用該方法可以將FIR算法中乘的次數(shù)減半，總計算量減為(N+1)/2次相乘，N-2次累加，極大地節(jié)省了FPGA的邏輯單元資源。FIR的濾波過程實質(zhì)上就是一個延遲后加權(quán)相加的過程，即濾波輸出y(i)是輸入x(i)以及它的前N一1個狀態(tài)的加權(quán)疊加。

2.3 DDS算法

隨著數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)逐漸體現(xiàn)出其具有相對帶寬寬，頻率轉(zhuǎn)換時間短，頻率分辨率高，輸出相位連續(xù)，可編程及全數(shù)字化結(jié)構(gòu)等優(yōu)點。

DDS的基本工作原理是根據(jù)正弦函數(shù)的產(chǎn)生，從相位出發(fā)，用不同的相位給出不同的電壓幅度，最后濾波平滑出所需要的頻率。圖3是DDS的原理方框圖。

參考頻率源又稱參考時鐘源，它是一個穩(wěn)定的晶體振蕩器，用來同步DDS的各組成部分。相位累加器類似于一個計數(shù)器，它由多個級聯(lián)的加法器和寄存器組成，在每一個參考時鐘脈沖輸入時，它的輸出就增加一個步長的相位增量值，這樣相位累加器把頻率控制字K的數(shù)字變換成相位抽樣來確定輸出合成頻率的大小。相位增量的大小隨外指令頻率控制字K的不同而不同，一旦給定了相位增量，輸出頻率也就確定了。當用這樣的數(shù)據(jù)尋址時，正弦查表就把存儲在相位累加器中的抽樣數(shù)字值轉(zhuǎn)換成近似正弦波幅度的數(shù)字量函數(shù)。以上的算法都可在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)。

3 實驗結(jié)果

本文的FPGA平臺選用Altera公司的EP2C8現(xiàn)場可編程邏輯器件，完成所有m序列、FIR數(shù)字濾波和DDS算法，需要FPGA 86%的邏輯單元資源和1%的RAM資源;時鐘采用50MHz、穩(wěn)定度為50 ppm的有源晶振，通過EP2C8內(nèi)部PLL(Phase Locked Loop，鎖相環(huán))3倍頻到150 MHz作為系統(tǒng)全局時鐘;采用ADI公司的AD9731進行D/A轉(zhuǎn)換，采樣速度150 MSPS，10位;對AD9731輸出的電流信號進行7階LC低通濾波，然后進行放大，使得噪聲信號的滿幅輸出都達到峰峰值3V。圖4是頻率為195 kHz最大輸出幅度的四種函數(shù)波測試結(jié)果。

從圖4可以看出，采用DDS模塊，得到了正弦波、三角波、鋸齒波和方波的波形。圖5為該噪聲和函數(shù)波發(fā)生器產(chǎn)生的5 MHz噪聲的實驗結(jié)果，圖6是輸出帶寬為5 MHz的高斯白噪聲統(tǒng)計直方圖。

從圖5和圖6可以看出，基于FPGA的m序列發(fā)生算法，F(xiàn)IR濾波算法和DDS算法，通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換和低通放大后，本文設(shè)計的噪聲發(fā)生器產(chǎn)生的5 MHz噪聲的3 dB，帶寬為4.8 MHz，帶內(nèi)平坦度為±1.5 dB，輸出噪聲的統(tǒng)計特性服從高斯分布，滿足了設(shè)計需要。

加速度傳感器應(yīng)用于地震檢波器設(shè)計

地震檢波器是用于地質(zhì)勘探和工程測量的專用傳感器，是一種將地面振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膫鞲衅?，能把地震波引起的地面震動轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)組織、存儲、運算處理。加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備，典型應(yīng)用在手機、筆記本電腦、步程計和運動檢測等。

加速度傳感器技術(shù)應(yīng)用于車禍報警

在汽車工業(yè)高速發(fā)展的現(xiàn)代，汽車成為了人們出行主要的交通工具之一，但是因交通事故的傷亡數(shù)量也十分巨大。在信息化的現(xiàn)代利用高科技去挽救人的生命將會是重大研究的主題之一，基于加速度的車禍報警系統(tǒng)正是懷著這種設(shè)計理念，相信這種系統(tǒng)的推廣，會給汽車行業(yè)帶來更多的安全。

加速度傳感器應(yīng)用于監(jiān)測高壓導(dǎo)線舞動

國內(nèi)對導(dǎo)線舞動監(jiān)測多采用視頻圖像采集和運動加速度測量兩種主要技術(shù)方案。前者在野外高溫、高濕、嚴寒、濃霧、沙塵等天氣條件下，不僅對視頻設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性要求很高，而且拍攝的視頻圖像的效果也會受到影響，在實際使用中只能作為輔助監(jiān)測手段，無法定量分析導(dǎo)線運動參數(shù);而采用加速度傳感器監(jiān)測導(dǎo)線舞動情況，雖可定量分析輸電導(dǎo)線某一點上下振動和左右擺動的情況，但只能測出導(dǎo)線直線運動的振幅和頻率，而對于復(fù)雜的圓周運動，則無法準確測量。所以我們必須加快加速度傳感器的發(fā)展來適應(yīng)諸如此類環(huán)境下進行應(yīng)用。