使用现成的组件生成伪随机二进制序列和白噪声
随机噪声之类的随机信号通常被认为是一个问题，但由于其独特的特性，在通信和设备测试等方面的应用依赖于随机比特序列和噪声。然而，在紧张的预算一次性测试或设计师，它可能不会购买一个专用的伪随机二进制序列(PRBS)可行或任意波形发生器。在这种情况下，使用现成的cmos设备更具成本效益。
本文将描述在电子信号和噪声的有效作用。然后介绍易用的CMOS集成电路，并展示它们如何被用来产生所需的伪随机噪声和二进制序列。
“好”噪音的作用
White，随机噪声在频域中具有平坦的频谱。由白噪声源激励的放大器或滤波器的平均输出振幅谱将给出该装置的幅频响应。
在通信技术中，用于CDMA发射机的数据流乘以一个伪随机二进制序列(PRBS)。然后，它可以像其他多个信号一样在相同的RF信道上传输。复合信号在接收端相同的PRBS关联将很少或没有干扰的原始数据流中提取。考虑到这些随机信号是如此有用，重要的是能够根据需要生成它们。
生成一个伪随机序列
一个PRBS周期，确定性信号由一系列数字1和0。该一个或零电平的持续时间是PRBS发生器的时钟周期的倍数。在生成器的模式重复周期内，0和0的模式是随机的(图1)。
prbs7信号的图像是一个PRBS测试信号
图1：PRBS7信号是一位长有一段27–1 PRBS测试信号，或127位。这个信号的时钟频率为1兆赫，显示为127毫秒的周期性，如示波器光标所标示。(图片来源：凯利讯半导体电子)
图1中的信号由发生器产生7阶段包含127位在每个模式期间PRBS7测试信号。在每个周期内，位模式是随机的，但整个序列每127个时钟周期重复一次。
这些测试信号可以在软件或硬件中生成。用于测试的硬件实现的优点是，信号可在外部以驱动被测试的设备。
线性反馈移位寄存器
一个系统的硬件实现是通过使用线性反馈移位寄存器(寄存器)。有些移位寄存器设置与后期反馈回来使用异或/非门输入序列。所使用的移位寄存器的数量决定了模式的长度或持续时间(图2)。
一个四位的例子LFSR和异或和异或非反馈逻辑实现
图2：一个四位的例子LFSR与异或和异或非反馈逻辑实现。反馈抽头决定数据状态的顺序。(图片来源：凯利讯半导体电子)
虽然许多反馈的配置是可能的，几乎所有的设计使用水龙头产生最大长度序列这样的国家总数等于(2n-1)，其中n是转移登记阶段数。表1总结了水龙头的最大长度序列的线性反馈移位寄存器的长度从2到32。这些水龙头不是专用的。注意，对于给定的移位寄存器长度，可能存在一个以上的最大长度多项式。
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表1：从2到32的线性反馈移位寄存器的长度最大长度序列的水龙头，总结。(图片来源：凯利讯半导体电子）
我们的例子使用一个15级线性反馈移位寄存器的长度为32767位，产生一个随机序列，称为prbs15测试序列。时间序列可以通过使用一个LFSR和更大数量的阶段完成。使用伪随机测试序列的限制测试的持续时间。以500千赫为单位的15位序列需要65毫秒(ms)。一个31位的序列需要4295秒，或者大约72分钟。
图2中的示例使用四个移位寄存器来生成具有15种不同状态的数据模式。注意，这两种配置都有一个禁用状态。在互斥或反馈模型的情况下，不使用所有零状态，因为一旦加载，移位寄存器将保持在该状态中。同样，在独占或执行中禁止所有状态。表2和表3显示的配置为四位移位寄存器的数据模式，使用阶段三和四反馈抽头。
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表2和3：图1中所示的或或配置的数据模式。(图片来源：凯利讯半导体电子）
这两种实现都是从已知状态开始的，无论是在所有情况下还是在所有情况下都是零。这四位最大长度线性反馈移位寄存器提供15种可能的状态(2n-1)如表所示。
输出数据模式是周期性的，因为它在15个时钟之后重复。该模式也是确定性的，对于给定的配置和已知的开始状态，输出可以被预测。输出模式在15个计数周期内是随机的。
伪随机二进制序列发生器的设计
一个实用的、低成本的PRBS发生器的设计基于移位寄存器实现使用德克萨斯仪器cd4015bm96双四核静态转移登记和cd4030bm96四异或门如图3所示。
简化原理prbs15发生器采用德克萨斯仪器cd4015bm96双四核静态转移登记
图3：一个简化的示意图，采用德克萨斯仪器cd4015bm96双四核静态转移登记和cd4030bm96四异或门prbs15发生器。(图片来源凯利讯半导体电子)
该发生器采用16 D型触发器(八每IC)与反馈抽头在第十四和第十五的生产prbs15数据模式。反馈连接是通过一个异或门，然后倒形成一个错误配置寄存器。该数据模式的长度为32767位，在500千赫时钟速率下的持续时间约为65毫秒。较长的模式可以通过使用较长的移位寄存器和适当的反馈抽头改变来实现。将设计扩展到31位模式会使模式持续时间超过20亿个状态(在500千赫时钟频率下大约72分钟)。
发电机被初始化为全零状态在上电使用cd4093bm96施密特触发器与非门(IC5)和一个简单的RC网络。时钟由一个运行在500千赫附近的简单CMOS振荡器提供。数字输出可以从任何移位寄存器Q输出中获得。在这种情况下，问题是。
发生器的输出和输出的快速傅立叶变换(FFT)显示在示波器上，如图4所示。
在中间跟踪中，发生器的输出图像(顶部跟踪)水平展开。
图4：生成器(顶部跟踪)的输出在中间跟踪中展开，以查看详细的结构。发电机输出的FFT(底部跟踪)表明频谱在时钟速率的1/第十以下是平坦的。(图片来源：凯利讯半导体)
数字噪声的FFT显示脉冲波形的期望正弦(x)/ x响应，在时钟频率的倍数处为0。频谱相当平坦，约占时钟频率的10%。这是利用低通滤波从数字输出中提取白噪声的关键。
白噪声发生器
白噪声是频谱在其频率范围内平坦的噪声。在噪声带宽下，单位带宽的功率谱密度和功率是恒定的。过滤数字噪声输出，PRBS发生器会产生白噪声。
虽然可以使用模拟滤波器，但它仅限于特定的时钟频率。通过使用有限脉冲响应(FIR)低通数字滤波器，滤波器截止将跟踪时钟频率的任何变化。此外，FIR滤波器可以提供非常低的截止频率，在模拟滤波器中需要非常大的电容。FIR滤波器结合移位寄存器输出的加权和。在频域中产生矩形低通滤波器响应所需的权重是在时间域内的x(x)x(图5)。
产生矩形低通滤波器响应所需的加权图
图5：发生器的输出级利用移位寄存器输出的正弦(x)x加权采样来实现FIR低通滤波器。由于罪恶(x)/ x加权需要负项，微分放大器被用来相加正分量和负分量。(图片来源凯利讯半导体)
在差分放大器的输出相加加权转移登记，即采用三段一lm324kdr运算放大器建立。上电阻代表负(x)/ x加权的负分量。下电阻代表正值。输出Q3和Q12不连接，因为他们代表的是零交叉点的罪(x)/ X功能。产生的白噪声输出表现出经典的高斯概率密度函数(PDF)(图6)。
伪随机序列的数字图像噪声(顶部二痕迹)随着模拟白噪声输出(第三道从顶部)
图6：伪随机数字噪声(顶部二痕迹)随着模拟白噪声输出(第三道从顶部)。白噪声的直方图，底迹，表现出典型的钟形正态或高斯分布。(图片来源：凯利讯半导体）
白噪声信号是从顶部降下来的第三个信号。下面是表示期望正态分布或高斯概率分布的噪声直方图。白噪声限带5%的时钟频率，或25千赫，适用于音频测试的目的。
结论
如图所示，容易获得的CMOS集成电路可用于产生伪随机二进制序列，以及用于通信和测试目的的模拟白噪声。对于部分使用BOM是廉价的，使得它非常适合学术研究，业余爱好者，和经济意识的工程师和技术人员。