自定义高斯白噪声功率和带宽

1、目标

在通信、雷达和计量等领域，在仿真、测试和计量过程中，常常需要使用信号源产生高斯白噪声信号，而且，重要的是，准确定义的噪声功率和带宽。

本文目的是产生用户自定义功率和带宽的高斯白噪声，方法是利用矢量信号发生器，实现噪声发生器的功能。

射频噪声发生器的实现方式通常有两种：

一种是基于二极管元件的噪声源，通常用来做噪声系数测试中所需的噪声源。本方法产生的噪声信号带宽很宽(可达18GHz或50GHz)，可计量超噪比ENR;缺点是噪声带宽和功率不可控，且噪声功率较低，另外其匹配(驻波)较差。

另一种是基于矢量信号发生器，在基带实现宽带噪声的带宽和功率设定，调制到射频(可达40GHz)发出。本文所使用的方法，是基于R&S矢量信号发生器实现本目标的。根据所选矢量信号发生器，噪声带宽可以最高达到2GHz。

2、实现方法

2.1. 矢量信号发生器内置噪声选件AWGN

矢量信号发生器通常具有内置附加高斯白噪声功能，其输出方式可以选择信号叠加方式或单纯噪声输出方式，设置方法简单。

优点是设置简单快捷，噪声功率准确，与设置值一致;缺点是产生的噪声带宽不准确，远大于带宽设置值。

2.2. 脉冲序列编辑软件R&S SMW-K300

R&S SMW-K300是一个矢量信号模拟软件，主要功能是模拟各种雷达信号以及非标准自定义矢量调制信号，其中一项功能是自定义白噪声。

能定义功率和带宽的噪声信号，功率偏差约1~2dB，带宽是-6dB带宽定义点。

如果用户仅用到SMW-K300的噪声模拟功能，成本较高。

2.3. 免费ARB信号编辑软件R&S ARBtoolbox+

R&S ARBtoolbox+是一款适用于R&S矢量信号源的免费自定义ARB文件编辑软件，功能之一是产生自定义白噪声、粉红噪声和褐色噪声。

能产生自定义功率和带宽的噪声信号;功率设置值准确，带宽是-6dB带宽定义点。

使用方便，但是带宽受限，只有50MHz。

2.4. Matlab自定义噪声信号

Matlab是信号分析的常用工具软件，使用其噪声(随机信号)的函数以及滤波器函数，非常简单地产生自定义噪声信号。R&S官网上下载matlab程序包(rohde-schwarz.com/applications/r-s-matlab-toolkit-for-signal-generators-application-note_56280-15774.html)，通过调用程序包中的m文件函数，将自定义噪声信号转换为*.wv文件，或直接上传仪器，从而产生自定义信号。

本方法能够按照用户的意愿和需求，产生标准的噪声信号，灵活方便，而且，从带宽和功率平坦度角度，本方法产生方式最优。

只需要用户有Matlab，无需精通Matlab编程。

3、实现步骤和表现

3.1. 矢量信号发生器内置噪声选件AWGN

3.2. R&S SMW-K300

3.3. R&S ARBtoolbox+

3.4. Matlab自定义噪声信号

matlab程序包(https://www.rohde-schwarz.com/applications/r-s-matlab-toolkit-for-signal-generators-application-note_56280-15774.html)中，

调取函数文件rs_generate_wave.m及其它m文件：

编写噪声发生器函数Function NoiseGen.m代码如下：

________________________________________

function [Sta]=NoiseGen(BW,fname,InstrCon,addr)

%BW:Bandwidth of noise in Hz;

%fname:ARB file name, string without extention;

%InstrCon: instrument connection or not, 1 - connected ; 0 - not connected

%addr: IP address of instrument

%% General setting

BW_CLK_Ratio=0.8; %Ratio of bandwidth/clock

CLK = BW/BW_CLK_Ratio; %clock - sample rate

N=2^20; % number of points

%% Generate white noise and filtered

N_sub =wgn(N,1,0,50,1,'complex');

N_White=[N_sub;N_sub;flip(N_sub)];

lpFilt = designfilt('lowpassfir','PassbandFrequency',BW_CLK_Ratio, ...

'StopbandFrequency',BW_CLK_Ratio+0.01,'PassbandRipple',0.5, ...

'StopbandAttenuation',70,'DesignMethod','equiripple');

IQdata = filter(lpFilt,N_White);

%% IQ data struct for rs_gernerate_wave.m

IQ.I_data=real(IQdata);

IQ.Q_data=imag(IQdata);

IQ.clock=CLK;

IQ.filename =strcat(fname,'.wv');

%% Save data and connect signal generator

if(InstrCon==1)

[status, InstrObj] = rs_connect( 'visa', 'ni', addr );

if(status==1)

rs_generate_wave(InstrObj,IQ,1,1);

else

rs_generate_wave(0,IQ,0,1);

end

else

rs_generate_wave(0,IQ,0,1);

end

Sta=1;

return;

________________________________________

运行用户程序：

[Sta]=NoiseGen(50e6,'n1',1,'TCPIP::192.168.0.10::INSTR');

%噪声功率满量程，由信号源输出电平设置决定;

%50MHz带宽，arb文件名为n1.wv

%IP地址192.168.0.10