【導(dǎo)讀】電子工程師和技術(shù)人員習(xí)慣將噪聲視為負(fù)面因素，因而在元器件選擇、電路設(shè)計和電路板布局過程中會進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)低噪聲。事實(shí)上，隨機(jī)或偽隨機(jī)噪聲有時候很有用。本文將進(jìn)一步說明為什么要利用噪聲以及如何利用。
電子工程師和技術(shù)人員習(xí)慣將噪聲視為負(fù)面因素，因而在元器件選擇、電路設(shè)計和電路板布局過程中會進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)低噪聲。事實(shí)上，隨機(jī)或偽隨機(jī)噪聲有時候很有用。本文將進(jìn)一步說明為什么要利用噪聲以及如何利用。
在各種應(yīng)用中，常用的隨機(jī)噪聲有兩種：白噪聲和粉紅噪聲。白噪聲具有較為平坦的頻譜，其帶寬功率相同（測量單位為 dB）。粉紅噪聲在其帶寬內(nèi)的每個頻率倍頻程上具有相同的功率（圖 1）。
圖 1：白噪聲和粉紅噪聲的頻譜比較。白噪聲的功率譜平坦，而粉紅噪聲的功率譜每倍頻程下降 3 dB。（圖片來源：Art Pini）
粉紅噪聲因與人耳的響應(yīng)相似，因而可用于音頻測試和音響系統(tǒng)均衡。
房間均衡可調(diào)整音響系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，以產(chǎn)生與輸入信號完全相同的信號。如果將粉紅噪聲輸入音響系統(tǒng)，均衡器會按照頻譜分析儀上的測量值進(jìn)行調(diào)整后將粉紅噪聲輸出（圖 2）。
圖 2：利用均衡器調(diào)整房間的頻率響應(yīng)，可以無損或無失真地再現(xiàn)輸入。（圖片來源：Art Pini）
白噪聲可用于測量頻率響應(yīng)，并可作為擴(kuò)頻通信的擴(kuò)頻源。
下面的示例描述了 10.7 MHz 中頻 (IF) 濾波器的頻率響應(yīng)（圖 3）。
圖 3：利用寬帶白噪聲測量 10.7 MHz IF 濾波器的頻率響應(yīng)。（圖片來源：Art Pini）
如左上方網(wǎng)格所示，白噪聲通過適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ渚W(wǎng)絡(luò)饋入濾波器。如左下方網(wǎng)格所示，輸入噪聲的頻譜在整個目標(biāo)頻率范圍內(nèi)是平坦的。正確端接的濾波器輸出如右上方網(wǎng)格所示。該輸出的幅度比輸入小，因?yàn)閹V波器衰減了濾波器帶寬之外的頻率分量。濾波器輸出的頻譜（如右下方網(wǎng)格所示）顯示，在 10.7 MHz 中心頻率下濾波器的帶寬約為 400 kHz。理論頻率響應(yīng)是輸出信號與輸入信號的復(fù)比。由于輸入信號的幅度均勻，因此輸出頻譜顯示濾波器的幅度頻譜響應(yīng)。
構(gòu)建噪聲發(fā)生器
噪聲發(fā)生器可以基于以下三種基本技術(shù)中的任意一種。第一種技術(shù)是使用電阻器中產(chǎn)生的約翰遜噪聲。這種電子噪聲由電導(dǎo)體內(nèi)部電子的熱擾動產(chǎn)生，任何電壓下都會發(fā)生這種熱擾動。所產(chǎn)生的噪聲本質(zhì)上是高斯白噪聲，必須通過一些超高增益的放大器進(jìn)行緩沖。
第二種技術(shù)是使用反向偏壓的齊納二極管或雪崩擊穿二極管。這種噪聲也是白噪聲，并且噪聲級高于約翰遜噪聲，但仍然需要高增益放大器。
第三種技術(shù)是利用移位寄存器生成偽隨機(jī)二進(jìn)制序列 (PRBS)，再使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 和濾波器將 PRBS 轉(zhuǎn)換為白噪聲。PRBS 噪聲流具有有限的重復(fù)長度。該長度可以按移位寄存器的級數(shù)來設(shè)置。信號持續(xù)時間的倒數(shù)是 PRBS 發(fā)生器可以再現(xiàn)的最低頻率。PRBS 發(fā)生器提供最高輸出電壓，并且不需要高增益放大器。
PRBS 發(fā)生器可利用離散移位寄存器（參見圖 4）或可編程片上系統(tǒng)（例如微控制器或 FPGA）來實(shí)現(xiàn)。
圖 4：利用兩個離散式八路 D 型觸發(fā)器 IC 實(shí)現(xiàn) 16 位 PRBS 噪聲發(fā)生器。（圖片來源：Art Pini）
PRBS 發(fā)生器（參見圖 4）設(shè)計成本低，基于線性反饋移位寄存器實(shí)現(xiàn)，采用 onsemi 的 MC14015DG 雙 4 位靜態(tài)移位寄存器和 Texas Instruments 的 CD4070BMT 四路異或門。十六路 D 型觸發(fā)器（每個 IC 8 路）在第 14 和 15 路設(shè)有反饋抽頭，可產(chǎn)生 PRBS15 數(shù)據(jù)模式。反饋連接通過一個異或門進(jìn)行。該數(shù)據(jù)模式長度為 32767 位，在 500 kHz 時鐘速率下持續(xù)時間約 65 毫秒 (ms)。通過使用更多移位寄存器，并適當(dāng)改變反饋抽頭，可實(shí)現(xiàn)更長的模式。
使用 MC14093BDR2G 施密特觸發(fā)器與非門 (IC5) 和基本的電阻電容 (RC) 網(wǎng)絡(luò)，發(fā)生器在開機(jī)時初始化為“全零”狀態(tài)。時鐘由一個運(yùn)行在 500 kHz 附近的簡單 CMOS 振蕩器提供。數(shù)字輸出可以從任何移位寄存器 Q 輸出中獲取。本例中使用的是 Q14。
雖然可以使用模擬濾波器，但會僅限于特定時鐘頻率。通過使用有限脈沖響應(yīng) (FIR) 低通數(shù)字濾波器，濾波器截止頻率將跟蹤時鐘頻率的任何變化。此外，F(xiàn)IR 濾波器可以提供非常低的截止頻率，而這對于模擬濾波器而言，需要很大容量的電容器。FIR 濾波器組合了移位寄存器輸出的加權(quán)和。在頻域中產(chǎn)生矩形低通濾波器響應(yīng)所需的加權(quán)是時域中的 sin(x)/x（圖 5）。
圖 5：發(fā)生器的輸出級采用來自移位寄存器輸出的 sin(x)/x 加權(quán)樣本，來實(shí)現(xiàn) FIR 低通濾波器。（圖片來源：Art Pini）
加權(quán)移位寄存器輸出通過差分放大器求和，該差分放大器包含 LM324KDR 四通道運(yùn)算放大器的三個部分。上電阻器組代表 sin(x)/x 加權(quán)的負(fù)值。下電阻器組代表正值。該數(shù)字濾波器頻帶將輸出限制在 500 kHz 時鐘頻率的 5% 左右（或 25 kHz），適用于音頻測試目的。
利用一個簡單的阻容濾波器，可以將該發(fā)生器的白噪聲輸出轉(zhuǎn)換為粉紅噪聲（圖 6）。
圖 6：這個簡單的 RC 濾波器將利用發(fā)生器的數(shù)字噪聲輸出產(chǎn)生粉紅噪聲。（圖片來源：Art Pini）
選擇的放大器要與預(yù)期的負(fù)載相匹配。這種類型的噪聲發(fā)生器適用于音頻測試和均衡。
總結(jié)
雖然通常需要消除或至少要減少噪聲，但合適的噪聲可能會很有用。歸功于噪聲已知的頻譜功率分布，白噪聲和粉紅噪聲是頻率響應(yīng)測試領(lǐng)域的重要資源。如上所述，使用一些現(xiàn)成的元器件可以快速構(gòu)建一個合適的噪聲發(fā)生器。
（作者：Art Pini）
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