一种基于可调异质结的白噪声发生方法与流程

1.本发明属于白噪声产生的数字方法，具体涉及信号处理领域。


背景技术：

2.白噪声指一段声音中的频率分量的功率谱密度在整个可听范围(20～20000hz)内都是均匀的(由于白光是由各种频率的单色光混合而成，因而此信号的这种具有平摊功率谱的性质被称作是“白色的”，此信号也因此被称作白噪声)，而所谓的高斯白噪声指不仅功率谱密度服从均匀分布，幅度分布还服从高斯分布。相对的，其他不具有这一性质的噪声信号被称为有色噪声。
3.白噪声的效应：(1)安抚效应：缓解失眠症状、集中注意力、可以让婴儿停止哭泣，因白噪声和子宫中的嘈杂声有类似之处；(2)遮蔽效应：弱化(中和)其他噪声，营造“虚假的宁静”。但是要注意的几点是：(1)大自然的白噪声是首选，完全没有危害及副作用；(2)人为制造的白噪声不得每日使用，会产生一定的依赖性；(3)在使用人为制造的白噪声时，要尽量使声源距离自己、婴幼儿远一些，并且减小音量；(4)戴耳机听白噪声是不可取的。
4.噪声的产生机理大致分为三种：热噪声、散粒噪声和宇宙噪声。热噪声由无源器件，如电阻、馈线等类导体内部自由电子的无规则运动引起，温度越高这种运动就越剧烈；散粒噪声由有源器件，如真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性引起(在电路中，散粒噪声电压有效值比热噪声大得多，散粒噪声和热噪声同时存在时可不考虑热噪声)；宇宙噪声由宇宙天体辐射对接收机引起，一般不用来产生噪声。
5.现有的白噪声产生方法大致分为三种：物理方法、数字方法和机械方法。
6.物理方法：有一发明专利，如图1(a)所示，名为《白噪声发生器》，为在其线性区工作并具有零源极-漏极dc偏置电流的mosfet的白噪声发生器。
7.数字方法：有若干实用新型专利，如图1(b)所示，名为《白噪声发生器》、如图1(c)所示，《一种高斯白噪声发生器》、如图1(d)所示《基于正交频分复用的白噪声发生器》等，思路均为先产生伪随机序列(m序列)，后续再转化为白噪声。
8.机械方法：有若干实用新型专利，如图1(e)所示，名为《一种机械式白噪声睡眠仪》等，为用电机带动风扇产生机械噪声。
9.现有数字方法产生白噪声为先产生伪随机序列，再进行后续数模转换等过程，自然而然地，序列随机性的好坏就决定了产生的白噪声质量的好坏，然而由其名称可以看出，产生的序列是伪随机的，也就是说序列由起始种子和固定递推算法得出，或者说序列是有周期的，只不过周期很长，取一小段时间的序列来看是随机的，而当时间超过周期，则序列开始循环。序列的伪随机性会限制产生的白噪声的质量以及其适用范围。


技术实现要素：

10.本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于可调异质结的白噪声发生方法，是一种产生真随机数的方法，用于白噪声发生器，可以提高产生白噪声的质量。
11.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
12.一种基于可调异质结的白噪声发生电路，包括可调异质结、电阻、直流电压源、比较器、高频脉冲源、与门、计数器、数模转换器，低噪放大器，可调异质结和电阻串联，可调异质结上端接一直流电压源,电阻下端接地；通过调整可调异质结的背闸back gate电压交替变化，使可调异质结呈现相反的整流特性；当back gate电压大于阈值电压v
th
时，标准电阻分压增大，即可调异质结与电阻连接处电压升高；设置比较器的参考电压，当可调异质结与电阻连接处电压大于参考电压时，比较器输出高电位；比较器的输出端、高频脉冲源分别和与门的两个输入端连接，取出比较器输出高电位时段的脉冲；设置计数器时间周期t，用计数器得出本周期与门产生脉冲的总个数，作为计数器本周期的输出信号，输入到数模转换器中进行数模转换过程，本周期结束时，计数器重新置零，以进行下一周期的计数过程，以此类推，每周期的脉冲个数都是随机的，即产生了随机数；数模转换器输出的是模拟信号，经过低噪放大器增大功率后即可由扬声器最终输出为白噪声音频。
13.进一步地，可调异质结的back gate电压在交替变化时，可调异质结在开态和关态之间不断切换，且切换过程时间随机，当back gate电压大于阈值电压v
th
时，可调异质结相当于一个由上至下导通的二极管和两个电阻串联，即处于开态即高导低阻态；当back gate电压小于阈值电压v
th
时，可调异质结相当于一个由下至上导通的二极管和两个电阻串联，即处于关态即高阻低导态，导致可调异质结与电阻连接处的电压值从v
min
变为v
max
过程或从v
max
变为v
min
过程所需时间不一样，再由比较器作用，导致比较器输出端处电压脉冲宽度不同，再由与门作用，进而从高频时钟脉冲源取出不同长度及位置的部分，每个部分所含的脉冲个数都是随机的，在较长的计数时间周期t内，多个部分的脉冲个数累加在一起，得到随机的总脉冲数。
14.进一步地，back gate(背闸)端阈值电压v
th
为-20v，back gate端优选变化最大值电压为60v，最小值电压为-60v。
15.进一步地，比较器的参考电压位于可调异质结与电阻连接处最大电压和最小电压值之间。
16.本发明的有益效果是：本发明是一种产生真随机数的方法，用于白噪声发生器，可以提高产生白噪声的质量。本发明的随机性根本来源于可调异质结开关物理过程用时的不确定性，为物理熵源，随机性较好，具体体现为可通过nist-sp 800-22的检验，包括频率检验、块内频数检验、游程检验、块内最长游程检验、二元矩阵秩检验、离散傅立叶变换检验、非重叠模块匹配检验、重叠模块匹配检验、maurer通用统计检验、线性复杂度检验、序列检验、近似熵检验、累加和检验、随机游动检验和随机游动状态频数检验共15个检验方法，其对应的p值都满足随机性要求，验证了产生的随机数的随机性。
附图说明
17.图1(a)为《白噪声发生器》示意图，图1(b)为《白噪声发生器》的示意图：图1(c)为《一种高斯白噪声发生器》的示意图，图1(d)为《基于正交频分复用的白噪声发生器》的示意图，图1(e)《一种机械式白噪声睡眠仪》的示意图：
18.图2为可调异质结的等效电路示意图；
19.图3为随机数产生模块电路示意图；
20.图4电路中各点的电压关系。
具体实施方式
21.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
22.图2为可调异质结的等效电路示意图，可调异质结的back gate电压交替为60v和-60v时，可调异质结呈现相反的整流特性，整流方向见图2，例如，当back gate电压为60v时，可调异质结相当于一个由上至下导通的二极管和两个电阻串联，处于开态即高导低阻态；当back gate电压为-60v时，可调异质结相当于一个由下至上导通的二极管和两个电阻串联，处于关态即高阻低导态。
23.如图3所示，电路的主要部分为一个可调异质结和一个标准电阻串联，标准电阻起分压作用，标准电阻下端接地，可调异质结上端接一直流电压源；通过调整可调异质结的back gate电压交替为60v和-60v，使可调异质结呈现相反的整流特性；当back gate电压为60v时，标准电阻分压增大，即2处电压升高；适当选取比较器的参考电压，使其介于可调异质结与电阻连接处处电压最大、最小值之间，当可调异质结与电阻连接处即2处电压大于参考电压时，比较器输出高电位；再与一个高频脉冲源通过与门连接，取出比较器输出高电位时段的脉冲；最后，在一个较长的固定时间周期t内，用计数器得出本周期产生脉冲的总个数，作为计数器本周期的输出信号，输入到数模转换器中进行数模转换过程，本周期结束时，计数器重新置零，以进行下一周期的计数过程，以此类推，每周期的脉冲个数都是随机的，即产生了随机数；数模转换器输出的是模拟信号，经过放大等过程即可由扬声器最终输出为白噪声音频，放大过程通过一个低噪的放大器即可实现，放大过程的目的是为了增大功率等。可调异质结在本发明中作为物理熵源从根本上保证了随机性，具体来说，因为可调异质结开关物理过程用时的不确定性，当back gate电压在+60v和-60v之间交替变化时，可调异质结在开态和关态之间不断切换，且切换速度不确定，即切换过程用时随机，导致可调异质结与电阻连接处的电压值从v
min
变为v
max
过程或从v
max
变为v
min
过程所需时间不一样，再由比较器作用，导致比较器输出端即3处电压脉冲宽度不同，再由与门作用，进而从高频时钟脉冲源取出不同长度或位置的部分，每个部分所含的脉冲个数都是随机的，在较长的时间周期t内，多个部分的脉冲个数累加在一起，得到随机的总脉冲数。图中dcvs表示直流电压源，m表示可调异质结，r0表示标准电阻，v
ref
表示参考电压，comparator表示比较器，clock表示高频时钟脉冲源，and表示与门，counter表示计数器，dav表示数模转换器。
24.图4(a)描述的是可调异质结back gate端的恒定周期方波电压随时间的变化波形图，back gate端优选变化最大值电压为60v，最小值电压为-60v。
25.图4(b)描述的是可调异质结与直流电压源连接处即1处的电压随时间的变化波形图，因为上方为dcvs，所以其电压不变。
26.图4(c)描述的是可调异质结与电阻连接处即2处的电压随时间的变化波形图，因为可调异质结随着back gate端电压的改变而开关(阻值变化)，2处的电压也随之相应地增大或减小，且增大或减小过程的时间随机，即可调异质结与电阻连接处的电压值从v
min
变为v
max
过程或从v
max
变为v
min
过程所需时间不一样。
27.图4(d)描述的是比较器输出端即3处的电压随时间的变化波形图，当2处电压大于参考电压时，3处处于高电位，当2处电压小于参考电压时，3处处于低电位，因2处增大或减
小过程的时间随机，所以3处脉冲宽度随机。
28.图4(e)描述的是高频脉冲源和与门连接处即4处的电压随时间的变化波形图，因为上方为高频脉冲源，所以呈现高频脉冲信号。
29.图4(f)描述的是与门输出端5处的电压随时间的变化波形图，5处为与门输出端，所以5处只有当3、4处均处于高电位时才为高电位(波形类似于4处)。
30.需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
31.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于可调异质结的白噪声发生电路，其特征在于，包括可调异质结、电阻、直流电压源、比较器、高频脉冲源、与门、计数器、数模转换器、低噪放大器；可调异质结和电阻串联，可调异质结上端接一直流电压源，电阻下端接地；通过调整可调异质结的背匣back gate电压交替变化，可调异质结呈现相反的整流特性；当back gate电压大于阈值电压v
th
时，标准电阻分压增大，即可调异质结与电阻连接处电压升高；设置比较器的参考电压在可调异质结与电阻连接处电压最大值和最小值之间，当可调异质结与电阻连接处电压大于参考电压时，比较器输出高电位；比较器的输出端、高频脉冲源分别和与门的两个输入端连接，取出比较器输出高电位时段的脉冲；设置计数器的计数时间周期t，用计数器得出本周期与门产生脉冲的总个数，作为计数器本周期的输出信号，输入到数模转换器中进行数模转换过程，本周期结束时，计数器重新置零，以进行下一周期的计数过程，以此类推，每周期的脉冲个数都是随机的，即产生了随机数；数模转换器输出的是模拟信号，经过低噪放大器增大功率后即可由扬声器最终输出为白噪声音频。2.根据权利要求1所述的一种基于可调异质结的白噪声发生电路，其特征在于，可调异质结的back gate电压在交替变化时，可调异质结在开态和关态之间不断切换，且切换过程时间随机，当back gate电压大于阈值电压v
th
时，可调异质结相当于一个由上至下导通的二极管和两个电阻串联，即处于开态即高导低阻态；当back gate电压小于阈值电压v
th
时，可调异质结相当于一个由下至上导通的二极管和两个电阻串联，即处于关态即高阻低导态，导致可调异质结与电阻连接处的电压值从v
min
变为v
max
过程或从v
max
变为v
min
过程所需时间不一样，再由比较器作用，导致比较器输出端处电压脉冲宽度不同，再由与门作用，进而从高频时钟脉冲源取出不同长度及位置的部分，每个部分所含的脉冲个数都是随机的，在较长的计数时间周期t内，多个部分的脉冲个数累加在一起，得到随机的总脉冲数。3.根据权利要求1所述的一种基于可调异质结的白噪声发生电路，其特征在于，back gate阈值电压v
th
为-20v，back gate端优选最大值电压为60v，最小值电压为-60v。4.根据权利要求1所述的一种基于可调异质结的白噪声发生电路，其特征在于，比较器的参考电压位于可调异质结与电阻连接处最大电压和最小电压值之间。5.根据权利要求1所述的一种基于可调异质结的白噪声发生电路，其特征在于，计数器时间周期t为固定时间。

技术总结
本发明公开了一种基于可调异质结的白噪声发生电路，包括可调异质结、电阻、直流电压源、比较器、高频脉冲源、与门、计数器、数模转换器、低噪放大器；可调异质结和电阻串联，可调异质结上端接一直流电压源,电阻下端接地；通过调整可调异质结的背匣back gate电压交替变化，可调异质结呈现相反的整流特性；设置计数器的计数时间周期T，用计数器得出本周期与门产生脉冲的总个数，输入到数模转换器中进行数模转换过程，本周期结束时，计数器重新置零，以进行下一周期的计数过程，产生了随机数；经过低噪放大器增大功率后即可由扬声器最终输出为白噪声音频。本发明提供一种可以产生真随机数的方法，用于白噪声发生器，可以提高产生白噪声的质量。噪声的质量。噪声的质量。


技术研发人员：郑雅宁 张竑 汤珏瑤 邹丽 庄颖
受保护的技术使用者：南京鼓楼医院
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8