本文介绍了一些生成常见且有用的噪声类型的好方法,包括白色、粉色和褐色(可选)。核心组件是一个经过编程的MCU,用于生成原始白噪声,以及一个改进的滤波器,用于将白噪声转换为粉色噪声。

通常,噪声会让人感到烦恼。但有时,它也可以成为一种有用的工具。令人惊讶的是,噪声有着多种颜色。这篇设计实例(DI)展示了一些生成最常见、最有用的噪声的好方法,这些噪声包括白色粉色(可选)。其核心是一个MCU,经过编程即可生成原始的白噪声,外加一个改进的滤波器,用于将其转换为粉色。

随机电子噪声源非常常见。最可控的白噪声源可能是众所周知的、由带反馈的移位寄存器生成的伪随机二进制序列(PBRS),这将是我们的起点。图1显示了使用逻辑IC的相当标准的实现方法。

图1:使用标准逻辑IC设计的伪随机序列发生器(PRSG)可产生宽带白噪声。

将三个8位器件(或此处采用的双4位器件)连接起来,即可形成一个23位移位寄存器。第18位和第23位的输出经过异或(XOR)和反相——即异或非(XNOR)处理,然后反馈到输入,产生一种看似随机的位模式,但它每223-1个时钟周期重复一次,在240kHz的时钟频率下,大约每35秒重复一次。(这个“-1”代表非法、锁定、全1的情况,简单的复位电路可防止这种情况发生。)对于高达时钟速率十分之一的频率,频谱几乎与纯净的理想白噪声相同。它在任何给定的带宽中都具有相同的强度:其频谱是平坦的。对于其他颜色,只需对其进行适当滤波即可。

廉价的MCU即可打造出优秀的PRSG

到目前为止,一切都很常规。但是,既然使用单个8引脚(甚至更少引脚)封装的芯片就足够了,为什么还要使用一组共62个引脚的芯片和至少10个分立元器件呢?为了避免繁琐,这里省略了具体的原理图——你可以想象一个矩形框,它由电源供电(用单个电容解耦),并有一个GPIO引脚提供PRBS——但此处提供了汇编语言代码下载,供Microchip 12F1501 PIC MCU使用。(解压后,可以用记事本方便地打开。)该代码在逻辑和功能上与图1的电路相同,可以轻松修改以用于不同的低端PIC MCU,而底层逻辑可以移植到各种其他合适的MCU。(过去,NatSemi制造了MM5837,这是一款使用17级8引脚、15V的PMOS白噪声源。它早已过时,但这可以成为它的一个很好的替代品。)

我们现在拥有频谱范围大致从30mHz到几MHz的伪随机白噪声,这比我们需要的倍频程多出几个。(比特率的倍数处有零点,对于此PIC版本为267kHz。)它仍然是脉冲流的形式,需要进行频带限制,才能获得真正有用​​的白噪声。对于粉红噪声,还需进一步滤波,以便所有倍频程(或其他频率比)具有相同的强度,这正是我们在音频方面所需要的。完成所有这些工作的电路如图2所示。

图2:伪随机信号(白噪声)经过调整以适应音频频带,并进一步滤波以产生粉红噪声。

PRSG可使用图1的分立逻辑实现,但MCU版本的电气噪声更低,而且更紧凑,忽略编程开销,成本也更低。脉冲整形网络将轨对轨矩形脉冲流转换为具有确定电平(约1.2V峰峰值)的梯形脉冲流,且其压摆率低于下游运算放大器的压摆率。20kHz低通滤波器的功能如其所言。(“20kHz”不是它的3dB角,而是它的功能标签。)现在只需要从约20Hz开始进行高通滤波,即可产生音频频谱内的白噪声,且其电平略大于-10dBu。

新的改进型粉红噪声网络

粉红噪声比较棘手,需要更复杂的滤波器来提供必要的3.01dB/oct(10dB/dec)斜率。大多数已发布的解决方案都使用四个RC部分以及图2中所示的基本R和C(如R10和C11),有些甚至更少。(而且许多似乎是克隆的。)这些RC的元件值间隔约为√10,但经过思考和使用LTspice后发现,使用更多级数和接近10的立方根的比率可获得更好的结果。图3显示了图2七级网络的计算响应,没有添加高通或低通滤波器。即使使用E12元件值,它也几乎是一条直线,与克隆的响应不同。

图3:新的7级粉红噪声滤波器的独立响应。

增益级可将粉红噪声的有效值(RMS)电平提升至-10dBu,以匹配白噪声,而选择开关、电平控制电位器、输出缓冲器和轨道分离器(A2d等)则完成了整个设计。图4显示了计算出的响应曲线以及与理想值的最坏情况偏差。

图4:所完成设计的计算响应,显示了IEC 60268-1限制的掩蔽和滤波器的峰值误差。

现在,从24Hz到21kHz的输出均在理想值的±0.2dB范围内。如果采用稍软的高通和低通滤波器,甚至还可以改进,特别是通过减少频谱两端的纹波,但它们的计算结果符合IEC 60268-1的要求,该标准涉及音频系统的性能、测试和应用。

关于电路的进一步说明

图2的电路设计(和测试)使用了标称5V(或±2.5V)电压轨(廉价的移动电源或多余的USB PSU正好可以派上用场),但其工作电压范围从2.7V(三节快用尽的AA电池)和5.5V(USB标准限制)也允许其他供电选择。

整形网络可确保无论轨道电压是多少,输出都将保持相当恒定,而-10dBu的信号电平即使在轨电压较低时也能避免削波。在保证5V电源的情况下,A2c在削波开始前可获得约7dB的额外增益。输出波峰因数(峰值与RMS之比)相当高,约为5:1,即14dB。

A1a使用的是MCP6022而不是MCP6004(或两个MCP6002),因为后者只能处理整形脉冲,而且失真明显。粉红噪声网络之后所需的增益相当高,因此A1b也是MCP6022:速度更快,输入偏移更低。MCP6004在所有其他位置都能正常工作。A2c和输出之间的元件不是必须的,只是一种好的做法。

空载时的电流消耗约为6mA。

褐色噪声生成

图5所示,添加褐色噪声(也称为红色噪声或布朗噪声)生成很简单。所需要的只是一个RC网络,随着频率的升高,其衰减为6.02dB/oct(20dB/dec),然后是大量的增益。(有些资料称需要两个级联的3dB/oct粉红网络,但这样做肯定更昂贵,而且精度也更低。)所示数值为-10dBu输出(约2.6V峰峰值),以匹配其他响应。显然,如果要添加这个功能,图2中所示的开关则需要更改。为了单独使用,至少应在其前面加上20Hz高通滤波器,否则低音扬声器可能会试图模拟小型地震。

图5:这个简单的电路可将白噪声转换为布朗噪声。

实现其他长度伪随机序列

基于PIC(或其他)MCU的PRSG可能还有其他用途,需要不同的序列长度。如果只需要使用(虚拟)移位寄存器的两个抽头,代码可以很容易地进行调整;更多的抽头需要更多的XNOR代码。此参考文献中有一个全面的表格,显示了所需的抽头以及大量有用的背景信息。

更长的序列只需要额外的寄存器,但每个寄存器都会增加一个处理器周期;XNOR逻辑的运行时间(12个周期)比移位要长。假设时钟频率为16MHz(指令频率为4MHz),8个连锁寄存器连同第62位和第63位的反馈将产生一个约120万年才重复一次的序列。如果使用10个寄存器,在第70位和第79位处抽头,那么重复时间将增加到约770亿年。够长了吗?如果不够,上述参考文献还提供了许多高达167位的2抽头解决方案。这时,就可能需要投资一些超长寿命的电池或非常可靠的UPS。

—Nick Cornford 10岁时制作了自己的第一台矿石收音机此后设计了许多专业音频设备、数据通信产品和技术安全套件。现在他终于退休了算是退休了

(原文刊登于EE Times姊妹网站EDN,参考链接:Earplugs ready? Let's make some noise!,由Franklin Zhao编译。)

本文为《电子工程专辑》2025年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里

责编:Franklin
本文为EET电子工程专辑原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
您可能感兴趣
Victor Peng此前曾担任Advanced Micro Devices, Inc.(AMD)的总裁,拥有超过40年的行业经验。此次任命将于2024年2月10日正式生效。
此次收购符合南芯科技的长期战略规划,通过整合昇生微在嵌入式芯片设计上的技术专长和研发团队,南芯科技将强化其在硬件、IP、算法及软件等方面的技术优势……
面对未来道路的挑战,新一代汽车的OEM正在积极探索创新之路,努力实现既符合日益严格的法规要求的乘客安全功能,又配备出色音频性能的沉浸式车内娱乐系统,以满足市场和消费者的需求。在这一过程中,OEM可以充分借助TI全新推出芯片产品,重塑车内体验,开启汽车驾乘的新纪元。
“在中国,为中国”,是ST中国本地化战略的核心。作为公司全球供应链管理的关键一环,ST今后将继续凭借完整成熟的“中国设计、中国创新和中国制造”理念,更优质地服务中国市场以及全球客户。
英特尔前首席架构师赛莱什·科塔帕利在英特尔担任过多款 Xeon 服务器处理器的首席工程师以及数据中心流程架构的平台工程组总监,近年来高通也一直在寻求进军服务器市场,这预示着高通有望在服务器市场上的进一步发展......
该款机器人其实是深圳创业公司众擎机器人推出的人形机器人SE01,被网友称为“走路最像人的机器人”。为什么许多人形机器人走路时总是微微弯着膝盖,看起来有些别扭?最主要的原因是人形机器人的膝盖是用电机来控制的……
电机驱动系统 (EMDS) 高度依赖位置编码器来提升效率,并满足日益严苛的法规要求。
互联网服务提供商(ISP)必须时刻保持竞争状态,持续参与吞吐量竞争;与此同时,还必须从根本上降低网关能耗,从而遵守法规并呼吁客户积极响应环保倡议。
搭载安谋科技最新一代“周易”NPU处理器的硬件平台成功运行DeepSeek-R1系列模型,性能卓越、成本优异,为用户带来了更高效、便捷的AI应用体验。预计今年上半年,这款备受期待的NPU产品将正式亮相市场,届时将为更多用户带来突破性的端侧算力体验。
HPE ProLiant Compute Gen12服务器全系搭载英特尔至强6处理器,能够轻松应对日益增长的数据密集型工作负载挑战,特别满足数据中心和边缘环境设计的需求。
点击左上角“锂电联盟会长”,即可关注!2月13日,证监会官网显示,同意深圳市首航新能源股份有限公司(以下简称“首航新能”)首次公开发行股票的注册申请。据了解,首航新能为专业从事新能源电力设备研发、生产
近日在阿联酋迪拜举办的World Governments Summit2025峰会上,阿里巴巴联合创始人、董事局主席蔡崇信确认了阿里与苹果合作的传闻。他表示,苹果在中国需要一个本地化的合作伙伴,为他们
点击左上角“锂电联盟会长”,即可关注!在全球能源格局加速变革的大背景下,储能产业正站在时代的风口浪尖,展现出前所未有的发展前景。随着各国对清洁能源的大力推广,太阳能、风能等可再生能源的装机量持续攀升。
点击左上角“锂电联盟会长”,即可关注!锂硫电池有望实现高能量密度存储,但由于多硫化物会不受控制的溶解,导致其稳定性较差。尽管限制多硫化物溶剂以建立固态硫反应可以将电极反应从电解液中解耦,但这种方法的反
关注我们丨文末赠书Part.1无处不在的芯片自人类进入信息时代,从 PC 到互联网,再到如今的 AI 大潮兴起,无论应用形态如何变化,它们都是由小小的芯片支撑运行起来的。可以说,芯片就是这个信息世界的
▼关注微信公众号:硬件那点事儿▼Part 01前言搞硬件设计的工程师平常画各种原理图封装和PCB封装相信大家都比较熟练了,比较属于基础技能,熟练了之后,这就不是脑力活了,而是成了体力活,特别是有时候用
近日,上汽通用即将关闭位于辽宁沈阳的北盛工厂消息迅速传开。此消息一经曝光,瞬间引发广泛关注与热议,这背后究竟隐藏着怎样的原因?上汽通用又将何去何从?北盛工厂的兴衰轨迹北盛工厂的历史最早能追溯到 199
2月14日,据中国信通院披露数据显示,2024年12月,国内市场手机出货量3452.8万部,同比增长22.1%,其中,5G手机3043.3万部,同比增长25.8%,占同期手机出货量的88.1%。欢迎关
工业软件国产自主,任重道远,更是国之重器,在这条充满挑战与使命的道路上,盘古信息始终以坚定的信念和不懈的努力,书写着中国工业软件的国产自主篇章。2024年,盘古信息在这一领域留下了浓墨重彩的一笔,20
关注公众号,回复“入门资料”获取单片机入门到高级开挂教程 开发板带你入门,我们带你飞文 | 无际(微信:2777492857)全文约2253字,阅读大约需要 10 分钟之前有人问了一个让人哭笑不得的问