专利名称:多功能随机信号发生器的制作方法
多功能随机信号发生器是一种能产生多种概率分布和多种相关函数的随机信号源。
近年来，雷达、通信及生物医学工程等领域的技术正飞速发展，科学研究和生产实际要求设计和制造出具有多种性能和用途的随机信号发生器，以解决检测系统的测试和调试问题以及其它方面的特殊需要。近年来国内外具有多种概率分布的噪声发生器，大多是在数字计算机上用纸带读入方式或利用伪随机序列产生随机噪波，因此随机性不够理想，而且产生的噪波带宽受计算机运算速度的限制，要得到宽带噪声，就不得不使用价格昂贵的高速计算机。
据日本《三菱电技报》(1980年7月，第35-37页)报导，日本研制的《雷达回波模拟器》的杂波发生器部分，实际上是用计算机实现的，由纸带读出器、软磁盘及微型计算机组成，能产生概率密度为对数-正态、瑞利、高斯等三种杂波，能产生方位相关杂波。
本发明采用模拟电路，而且与前述日本的《雷达回波模拟器》的杂波发生器相比，具有更多的杂波分布种类，除了对数-正态、正态和瑞利分布外，还有指数分布、韦布尔(Weibull)分布，输出随机信号的相关函数也具有较多的种类宽带、窄带、宽带和窄带的叠加。
本发明的发明要点在于将正态分布白噪声，经各种非线性变换来获得多种分布的随机信号。然后通过各种滤波器，获得各种相关噪波，实测证明，该信号具有良好的随机性。
附图1仪器结构总框图。
附图2韦布尔白噪声形成器结构框图。
附图3韦布尔白噪声形成器输入端随机信号的概率密度函数及振幅直方图。
附图4韦布尔白噪声形成器输入端随机信号的概率密度函数及振幅直方图。
附图51/p次律变换器结构方框图。
附图6对数-正态白噪声形成器结构框图。
附图7对数-正态白噪声形成器输入端随机噪声的概率密度函数及振幅统计直方图。
附图8对数-正态白噪声形成器输出端随机噪声的概率密度函数及振幅统计直方图。
附图9相关噪声形成电路框图。
附图10宽带和窄带噪波叠加后的功率谱。
附图11韦布尔白噪声尺度参数测试方案。
附图12多功能随机信号发生器最佳实施方案线路图。
图1所示为本仪器结构框图，它包括以下几个部分正态白噪声源〔1、2〕、韦布尔(Weibull)白噪声形成电路〔3〕、对数正态白噪声形成电路〔4〕、相关噪波形成电路〔5〕、功率放大器〔6〕噪声参数测试电路〔7〕及开关元件〔8、9〕。两个独立正态白噪声源产生的正态白噪声，输入到韦布尔白噪声形成电路后，形成韦布尔白噪声经功放输出，正态白噪声经对数-正态白噪声形成电路后，变为对数-正态白噪声经功放输出。上述三种白噪声形成电路作用及功放后，仪器即可输出相应的相关噪波。噪声参数测试电路，可指示输出韦布尔白噪声的形状及尺度参数以及其它噪波的有效电压值。现对仪器各部分分别说明如下1、正态白噪声源，用以产生正态分布白噪声精心选择齐纳二极管并让其工作在噪声区，然后将白噪声电流用晶体管放大，并以射随器做缓冲级，即可获得正态分布白噪声。在图13的实施例中，T1、T2、D1、C1、R1、R2、R3、R4及T2、T4、D2、C3、R5、R6、R7、R8、分别为两个正态白噪声源。在这里，选择齐纳二极管D1、D2是个关键，可选用2CW59、2CW19等，效果很好。
2、韦布尔(Weibull)噪声形成电路，用以形成韦布尔白噪声将正态白噪声通过一定的非线性变换，即得到韦布尔分布白噪声，其变换可表达为Z＝(X21+X22)1/p式中，X1及X2为两个独立的正态白噪声，p为韦布尔白噪声形状参数。
为了实现上述变换，我们可以按附图2将两个独立的正态白噪声X1及X2分别经过平方器〔10、11〕作用，然后通过加法器〔12〕求和再经过1/p次律变换器〔13〕，在该变换器输入端，我们就得到(形状参数为p)的韦布尔分布白噪声。这个变换器输入端和输出端的概率密度函数及振幅直方图已标示于附图3及附图4中。对上述平方器、加法器及1/p次律变换器都要求有10V以上的动态范围，否则会使我们感兴趣小概率大振幅事件限幅，因而无法应用于系统的虚警概率测试。此外，各部分的带宽也是要考虑的因素，它一定要和我们预想的输出噪声带宽相匹配。
在图12的实施例中，RW1、M1和RW2、M2分别构成了平方器。M1及M2可用现有的集成平方器或四象限乘法器。在实际应用中，可采用国产FZ4四象限乘法器，可获得3MC带宽及10V以上的动态范围。图12中的R9、R10及A1构成了加法器，A1可采用晶体管或运放实现对输入端两个噪声的相加运算。若选用XFC76高速运放可获得10V以上的动态范围及3MC带宽。
1/P次律变换器的结构如附图5所示。其输入y和输出z的变换关系为Z＝y1/p，为实现这一复杂的非线性变换，可先对输入经对数放大器〔15〕取对数，然后在比例乘法器〔16〕乘以1/p，再经过反对数放大器〔17〕取反对数即完成了1/P律变换。
在动态范围、带宽及稳定性满足预期指标的前提下，对数及反对数放大器可利用PN结的非线性伏安特性实现。1/p次律运算器可以利用现有的多功能集成器件，例如AD433J(美)来实现。系统中的比例乘法器的比例因子1/p若用一分压器调节，则输出的韦布尔噪声形状参数可调。当P＝1时，韦布尔分布过滤到负指数分布;P＝2时，过渡到瑞利分布。在附图12的实施例中，M3是对数放大器，A2是比例乘法器，M4是反对数放大器。
3、对数-正态白噪声形成电路正态白噪声经反对数变换即得到了对数-正态白噪声，这个变换可表达为V02＝eλx式中，X是正态变量，λ为常数。
为了实现上述变换，我们可将正态白噪声X经过比例乘法器〔18〕乘λ，再经过反对数放大器〔19〕即可完成上述变换，从而得到对数-正态白噪声，其结构如附图6所示。在韦布尔白噪声形成电路实行方案中已提及比例乘及反对数电路，这里要求相同，可以共用。
在附图7及附图8中我们还示出了这个形成器的输入端和输出端的随机噪声幅度统计直方图及概率密度函数。
4、相关噪波的形成电路白噪声分别通过中心频率可调窄带滤波器〔20〕及低通滤波器〔21〕后，将经过过滤的白噪声在叠加电路〔22〕求和，即得到各种相关性噪波，其结构如附图9所示。现将各部分分述如下
(1)中心频率可调窄带滤波器从白噪声中滤出窄带相关噪波要求中心频率可变，可采用现有的各类有源带通滤波电路，也可用晶体管或运放实现。在附图12的实施例中，运放A3、A4、A5、电容C5、C6及电阻R27、R28、R29R30、R31、R32、R33、R34、R35、R36，电位器RW5、RW6构成了中心频率可调窄带滤波器。
(2)低通滤波器用一组LC或RC低通滤波器可从白噪声中滤出各种宽度的宽带相关噪波，也可采用现有技术来实现。
(3)宽带和窄带噪波的叠加电路用加法器将上述两种噪波叠加起来，用以模拟机载脉冲多卜勒雷达的背景杂波，其功率谱如附图10所示。
在附图12的实施例中可见，用普通运放A3、A4和A5构成了有源带通滤波器，调节双连电位器RW5、RW6，可使中心频率改变。输入端的白噪声经滤波器过滤后，在A5输出端得到了窄带白噪声，其中心频率可变。低通滤波器是采用的几组RC低通滤波器，以获得不同带宽的宽带噪声。运放A6及电阻R37、R38、R39、R40构成了叠加电路，这样，在该电路输出端得到了如附图10所示的杂波。
5、噪声参数测试电路(1)韦布尔(Weibull)白噪声参数测试电路韦布尔白噪声的概率密度函数为f(Z)＝(p/q)(z/q)p-1·e-(z/q)p式中，p为形状参数，q为尺度参数。
如前所述，在1/p次律变换器实现过程中的比例因子1/p是人为装定的，用一组分压器调节，这可由面版上分压器分压比刻度直接读出，该刻度即指出了韦布尔噪声的p参数。
按公式m＝qΓ(1/p+1)，式中的m是韦布尔白噪声平均值，q是尺度参数，Γ(·)为Γ函数。
由上式显见，在给定条件下，用电压表〔23〕测得的噪声均值m是和q成正比的，其比例系数为Γ(1/p+1)，即m衰减Γ(1/p+1)倍即为q值，其电路如附图11。在图11中，V〔23〕是一个内阻为r的电压表，它与一个可变电阻值为R的衰减器〔24〕相串联，噪声经此电压表与串联衰减器后，输出韦布尔白噪声尺度参数。衰减器〔24〕的计算应以给定p为前提R＝〔Γ(1/p+1)-1〕r。
在附图12中，实现附图11中所说的方案的电路由微安表、与微安表串联的电位器及二极管D6、D7及一系列电阻R42至R52组成。若测试开关K2b和1/p次律变换器中的衰减开关K2a同轴，在附图12中，假设了表头灵敏度为100uA，内阻为r，表头满度时q＝2.5。按公式q＝m/Γ(1/p+1)而设计的。当开关K6置于1时，我们可用以测试韦布尔白噪声尺度参数q。
(2)正态白噪声参数测试正态分布噪声的概率密度函数可表示为f(x)＝( 1 /2 πλ ) · e- (X2/ 2 λ2)]]>式中参数λ是该随机变量的标准差，实际上λ即是该随机噪声的有效值。因此只要测定噪声的有效值就得到了λ。有效值测定电路常用在交流万用表中，容易实现。这一电路也可同时用作其它分布的独立或相关噪声的有效值测量。
在附图12中当开关K6置于2时，二极管D6、D7、及电位器RW8与微安表一起构成了有效值测量电路，D6及D7可选用2AP10。
在图12中所示的实例中，三极管T5及T6、二极管D3、D4、D5与电阻R41及正负电源一起构成了功率放大器。电阻R53及R60是输出衰减电阻。
本发明具有多种功能，可做为雷达回波模拟器的重要组成部分，雷达回波模拟器是国家急需而又难于进口的贵重仪器;它可做为研究测试通信、声纳系统检测性能的噪声源;若作为电子对抗所需用的干扰机的噪声源与过去所用的噪声源相比，可望获得更佳的效果;它还可以用来测试遥控、遥测系统的抗干扰性能及系统极限灵敏度;本发明可用于生物医学工程，为研究噪声污染对人体及生物体影响提供模拟噪声源;应用本发明产生的超声段噪声，可望开发防止害虫、害兽的新方法。本发明可全部采用国产元器件实现，成本低，易维修。
权利要求
1.一种多功能随机信号发生器，它包括两个正态白噪声源[1、2]、功放电路[6]及开关元件[8、9]，其特征在于它还包括韦布尔(Weibull)白噪声形成电路[3]，对数-正态白噪声形成电路[4]、相关噪波形成电路[5]及噪声参数测试电路[7]；两个独立的正态白噪声源输入到韦布尔计噪声形成电路经功放电路输出韦布尔白噪声；一个正态白噪声经对数-正态白噪声电路至功放电路后输出对数-正态白噪声；以上三种白噪声经相关噪波形成电路至功放后可输出相应的相关噪波；功放输出的一部分输出信号经过噪声参数测试电路，可指示输出的韦布尔白噪声形状参数及尺度参数以及其它噪波电压的有效值。
2.如权利要求
1中所说的韦布尔白噪声形成电路，其特征在于它是由两个平方器〔10、11〕、加法器〔12〕。1/P次律变换器〔13〕构成;二个正态白噪声X1、X2经过平方器作用后，通过加法器求和再经过1/P次律变换器进行非线性变换后得到了Z＝(X21+X22)1/P的韦布尔分布白噪声。
3.如权利要求
2中所说的1/P次律变换器，其特征在于它是由对数放大器〔15〕、比例乘法器〔16〕反对数放大器〔17〕构成;经过平方及求和的二个白噪声，通过对数放大器〔15〕取对数后在比例乘法器〔16〕乘以1/P，其乘积结果再进入反对数放大器〔17〕取反对，完成了Z＝Y1/P非线性变换。
4.如权利要求
1中所说的对数-正态白噪声形成电路，其特征在于它是由比例乘法器〔18〕及反对数放大器〔19〕构成;正态白噪声经比例乘法器后馈入反对数放大器，在反对数放大器输出端取出V02＝eλx的对数-正态白噪声信号;比例乘法器〔18〕和反对数放大器〔19〕可与1/P次律变换器中的比例乘法器〔16〕及反对数放大器〔17〕共用。
5.如权利要求
1中所说的相关噪波形成电路，其特征在于它可由中心频率可调窄带滤波器〔20〕、低通滤波器〔21〕及叠加电路〔22〕构成;正态白噪声X分成两路分别馈入中心频率可调窄带滤波器〔20〕及低通滤波器〔21〕过滤后，在叠加电路〔22〕将两种噪波叠加起来，可用以产生机载脉冲多卜勒雷达的背景杂波模拟信号。
6.如权利要求
1中所说的噪声参数测试电路，其特征在于它可分为韦布尔白噪声参数测试电路和正态白噪声参数测试电路两大部分。
7.如权利要求
6中所说的韦布尔白噪声参数测试电路，其特征在于它是由一个内阻为r的电压表〔23〕与电阻值为R＝〔Γ(1/P+1)-1〕r可变衰减器〔24〕串联构成。
8.如权利要求
6中所说的正态白噪声参数测试电路，其特征在于它是以测量正态白噪声的有效值来确定正态白噪声概率密度函数f(X)＝(1 /2 πλ )e- (X2/ 2 λ2)]]>中该随机变量的标准差。
9.如权利要求
6中所说的正态白噪声参数测试电路，其特征在于它也可同时用做其它分布的独立或相关噪波的有效值测量。
10.如权利要求
1中所说的随机信号源，其特征在于它可采用模拟电路来实现，也可采用集成电路来实现。
专利摘要
多功能随机信号发生器采用模拟电路产生正态白噪声，经各种非线性变换获得了对数一一正态、正态、瑞利、指数、韦布尔(Weibull)等概率密度分布函数，可输出宽带、窄带及宽带和窄带的叠加等相关函数的随机信号，并可直接指示韦布尔白噪声的形状参数及尺度参数、正态白噪声概率密度函数随机变量的标准差入以及其它分布的独立或相关噪声的有效值测量。
文档编号G06G7/48GK85102755SQ85102755
公开日1986年9月10日 申请日期1985年4月1日
发明者卢定庆 申请人:四川大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan