本实用新型专利技术公开了一种数据位数可选的伪随机信号发生器，对两个以上伪随机数发生器进行运算，产生长序列周期高速伪随机数的方法；其中每个伪随机数的产生基于并行结构最长线性反馈移位寄存器电路；要求参与运算的每个伪随机数发生器产生的伪随机数互不相关。本实用新型专利技术能实时产生有多个数据位的均匀分布伪随机数，也能产生其它分布的伪随机数，也能产生宽频带的数字白噪声信号，还可产生多种位宽的伪随机信号，其均值、方差等参数可调节。
【技术实现步骤摘要】
本技术设及信号发生领域，具体是一种数据位数可选的伪随机信号发生器设 计方法。
技术介绍
理想白噪声信号的功率谱密度函数在所有频率上是一个常数，其功率无穷大，因 此是不能物理实现的。一个噪声信号在感兴趣的频率范围内其功率谱密度函数近似为一个 常数，被称为带限白噪声信号，物理上是能够实现的。带限白噪声信号与理想白噪声信号的 性质类似。实际电路系统的带宽是有限的，只要产生的带限白噪声信号的频率范围宽于实 际电路的带宽，其对信号系统的影响跟相同谱密度、相同概率分布的理想白噪声信号的影 响是相同的。将模拟白噪声信号的电压数字化后，可形成较为理想的数字白噪声信号。 传统上噪声信号发生是基于物理技术。例如，利用放射性物质的放射性，使用探测 器对其计数产生随机数。利用气体放电管的放电产生噪声信号。在上世纪六屯十年代，气 体放电管作为噪声标准在国内外曾得到广泛的应用。W上产生噪声的方法技术复杂、安全 性不高，因此又诞生了基于电路噪声的固态噪声发生技术。例如，利用电阻的热噪声或半导 体器件的噪声，可产生宽带噪声信号，其原理框图如图1所示。 导体中载流子随机热运动而产生的起伏噪声叫热噪声，热噪声电压与溫度有关， 其均方值为： V"= 4kTBR 其中R为导体的电阻，B为电路的带宽，k为波尔兹曼常数，T为绝对溫度。因为 热噪声起源于多数载流子的运动，所W它的瞬时幅值服从均值为零的高斯分布，当溫度和 阻值一定时，热噪声电压的谱密度与频率无关，因此，电阻的热噪声是高斯型的白噪声。 -个半导体二极管反向偏置工作于雪崩击穿状态，在雪崩区内，由于电子一空穴 对产生速率的随机起伏性质而产生雪崩散弹噪声。在一定的雪崩频率下，雪崩散弹噪声与 白噪声相似，其噪声功率谱密度均匀分布。因此，反向工作于雪崩击穿状态的二极管可成为 一个较理想的噪声源。利用齐纳二极管或PIN二极管的雪崩击穿产生噪声信号，再经宽带 放大，可产生宽带噪声信号。 固态噪声发生器频率范围较宽，可覆盖至微波频段，输出信号的概率密度符合高 斯分布，属于高斯白噪声信号。传统噪声信号发生器的缺点是输出信号的概率分布不能调 整、谱密度调整困难。实际应用中，经常需要数字型的随机数或噪声信号。将固态噪声发生 器的输出量化，可产生数字型的噪声信号。 下面阐述基于物理技术产生真随机数的方法。利用齐纳二极管的雪崩击穿产生 的噪声，经隔直与宽带放大，可产生模拟的宽带白噪声信号，该噪声信号是高斯分布的。使 用高速的A/D转换器将模拟噪声信号数字化，可产生高斯分布的数字噪声信号，原理框图 如图2所示。图中Vcc为直流电压源，R为限流电阻，W使二极管D工作在雪崩击穿区。L 提供直流通路，同时隔离交流信号，C为隔直流电容，同时将噪声信号禪合输出，N是放大电 路。量化的噪声信号再跟数值O比较，如果数值大于等于O就输出1，如果小于O就输出0， 用运种方法产生了一个均匀分布的二进制随机数，原理框图如图3所示。当然也可W使用 高速的模拟比较器将模拟噪声信号转换成二进制的数字噪声信号。 序列周期有限的随机数称为伪随机数，序列周期有限的随机信号称为伪随机信 号。伪随机数的序列周期越长，其统计特性越好，越接近真随机数。由于真随机数的产生电 路较为复杂，工程上，常使用伪随机数代替真随机数，因为其数学性质类似，能够满足工程 需要。 利用计算机可W方便的产生均匀分布伪随机数。产生伪随机数的方法有平方取中 法、乘同余法、线性同余算法。平方取中法、乘同余法产生伪随机数的质量不高。在计算机 上，常用线性同余算法产生伪随机数。线性同余法递推公式为： rand(n) =(rand(n-l)*mult+inc)modM[001引其中rand(n)是当前随机数，rand(n-1)是前一时刻随机数，mult是乘数因子，M=2^为模值。inc是增量，通常情况下可取小于M的奇数。C语言编译器中函数randO可 产生0~32767之间的随机整数。VC中产生伪随机数的公式为：rand(n) = ((rand(n_l)巧 14013+2531011)mod65536)&0x;7fff [001引 BC中产生伪随机数的公式为： rand(n) = ((rand(n_l)巧2695477+1)mod65536)&0x;7fff 利用数字技术，产生均匀分布伪随机数后，可方便的产生其它分布伪随机数，例如 高斯分布伪随机序列，W及均值、方差、谱密度可调的伪随机数字白噪声信号。 m序列又称最长线性反馈移位寄存器序列，是研究得比较深入的一种二进制伪随 机序列。常用于扩频通信、测距、电路测试等领域。它由带线性反馈的移位寄存器产生，如 图4所示。图中一位移位寄存器的状态用曰1表示，a1=0或ai=l，i为整数。反馈线的 连接状态用。表示，Ci= 0表示该反馈线断开，Ci= 1表示反馈存在。 移位寄存器在时钟信号的控制下，一步步向外移位输出。由于反馈的存在，若初始 状态为全"0"，则移位后得到的仍为全"0"，因此应避免出现全"0"状态；又因为n级移存器 共有2"种可能的不同状态，除全"0"状态外，剩下2 "-1种状态可用。每移位一次，就出现一 种状态，在移位若干次后，一定能重复出现前某一状态，其后的过程便周而复始，也就是说， 输出信号一定是周期信号。反馈线位置不同将出现不同周期的不同序列，希望找到合适的 线性反馈逻辑，能使移位寄存器产生的序列最长，即达到周期M= 2"-1。按图2中连线关系， 移位寄存器组左端所得到的输入可W写为：a。=C1曰。1出C2曰。2出C3曰。3出..? ?Cn1曰1?C。曰〇 式中?是异或运算符。选择合适的线性反馈逻辑时，输出序列就是一个周期为 2M的m序列。 Ci的取值决定了具体移位寄存器的反馈连接、序列结构和周期，为便于表达Ci的 状态，引进多项式： f(X) =C〇+CiX+C2X2+. . .+CniX。l+CnX。 该式称为特征多项式。当知道一个线性反馈移位寄存器的特征多项式，就可W决 定线性反馈移位寄存器的结构。已经证明，若线性反馈移位寄存器的特征多项式为本原多 项式，则此线性反馈移位寄存器能产生m序列。运是线性反馈移位寄存器产生m序列的充 分必要条件。在实际应用中，根据数据位数需要首先确定m序列的长度，然后通过查表就可W方便地得到m序列发生器的反馈逻辑。一定长度的线性反馈移位寄存器，有很多个本原 多项式，对应不同的m序列。常用的本原多项式，前人已经W表格的形式给出。例如，当n =31时，f(x) =l+x3+x3i为本原多项式，可产生m序列。对应公式中的C。=LCs= 1，〇31 =1。序列周期为231-1，恰好为一个梅森素数。m序列有W下性质：[002引 （1)平衡特性。在m序列的每个2"-1周期中，"1"码元出现的数目为2" 1次，"0" 码元出现的数目为2" 1-1次，即"0"的个数总是比"1"的个数少一个，运表明，序列平均值 极小。 (2)游程特性。游程是指在一个序列周期中连续排列的且取值相同的码元的 合称，在一个游程中的码元的个数为游程长度。m序列中共有2" 1个游程。其中长度为 k(l《k《n-2)的游程数目占总游程数的2k，长度为n-1的连"0"的游程数为1，长度为本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种数据位数可选的伪随机信号发生器，其特征在于：采用两组伪随机数发生器电路结构时，基于并行结构最长线性反馈移位寄存器的Na位伪随机数发生器A，生成了m位的均匀分布伪随机数，记为A[k]，以二进制表示为Am‑1[k]Am‑2[k]．．．A1[k]A0[k]；基于并行结构的Nb位最长线性反馈移位寄存器的伪随机数发生器B，生成了m位的均匀分布伪随机数，记为B[k]，以二进制表示为Bm‑1[k]Bm‑2[k]．．．B1[k]B0[k]；伪随机数A[k]与伪随机数B[k]并联，生成2m位伪随机数D[k]，以二进制表示为D2m‑1[k]D2m‑2[k]．．．D1[k]D0[k]；要求伪随机数发生器A生成的伪随机数A[k]与伪随机数发生器B生成的伪随机数B[k]不相关，即伪随机数发生器A的本原多项式与伪随机数发生器B的本原多项式不能是镜像本原多项式，由于伪随机数发生器A与伪随机数发生器B之间不相关，生成的伪随机数D[k]中的每一位是均匀分布的，因此D[k]是2m位均匀分布伪随机数；当m为偶数时，并行结构伪随机数发生器A的序列周期为2Na‑1，并行结构伪随机数发生器B的序列周期为2Nb‑1；伪随机数D[k]的序列周期为伪随机数发生器A与B序列周期的最小公倍数，因此伪随机数D[k]的序列周期得到了极大扩展。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张则乐，胡林军，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十一研究所，
类型：新型
国别省市：安徽;34
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