[发明专利]一种实时高斯白噪声硬件发生器的并行实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线信道模拟、噪声建模技术领域，具体涉及一种实时高斯白噪声硬件发生器的并行实现方法。

背景技术

无线信道模拟技术由于可在地面复现出一个理想、恶化、甚至近乎真实的电波传播环境，模拟信道各种时、空变化对信号传播的影响，早已成为通信、测控等技术领域不可缺少的验证测试手段。相比于有线信道，无线信道是电波传播的一种恶劣介质，具有随机、不可预知等复杂特性。无线电波在信道传输过程中，会不可避免受到噪声干扰、信道衰落、电离层闪烁、动态雨衰等随机非理想特性的影响。为了研究这些非理想特性对电波传播的影响，国内外学者通常以高斯白噪声建模为基础，再通过各种线性或非线性的复杂变换来对信道的其它非理想特性进行建模分析。可见，高斯白噪声是无线信道随机非理想特性研究的重中之重，研究高斯白噪声理论及实现方法对无线信道特性建模、仿真及模拟均具有重要意义。

研究资料表明，高斯白噪声大多是通过一些算法对均匀分布的白噪声进行高斯化处理后产生得到。现阶段，均匀白噪声的产生方法主要包括线性同余算法、延迟斐波那契法、线性移位寄存器法及细胞自动机理论等。线性同余法与延迟斐波那契法相比，前者在随机数分布的均匀性、子序列依赖关系等性能测试中效果较差，但后者却需要较多的乘法器资源，FPGA(Field Programmable Gate Array)硬件资源消耗大。线性移位寄存器法是目前应用最广泛的一种方法，具有算法简单、速度快、可重复性强及易于FPGA硬件实现等突出优点。然而，由于该方法存在线性反馈结构，会导致其产生的伪随机数具有较强的相关性，均匀白噪声产生质量相对较差。相比而言，细胞自动机理论是近些年才用于均匀白噪声的产生，由于其产生的噪声具有周期长、速度快、统计特性好、实现占用硬件资源少等突出优点，一经问世就受到了国内外学者的广泛关注。

在高斯白噪声生成算法方面，目前主要包括累积分布函数反变换法、拒绝-接受法及均匀白噪声变换法等。累积分布函数反变换法的基本思想是将任意给定随机变量的累积分布函数做反变化，从而得到该累积分布函数对应的随机变量。该方法直观、容易理解，但硬件实现时需要存储非线性高斯累积分布函数与高斯白噪声之间的映射关系，会不可避免地占用大量存储资源。拒绝-接收法的基本思想是根据某些给定的判别准则来确定所产生的随机变量是否属于高斯白噪声进而决定取舍。然而，由于该方法需要利用循环条件对输入变量进行判别，舍弃那些经转换后不能产生高斯白噪声的数据，因而其效率不高，并不适宜硬件实现。相比而言，均匀白噪声变换法无需求解累积分布函数的反变换，通过对均匀分布的白噪声进行直接变换来产生高斯白噪声。目前，这类方法应用最为广泛，主要包括Box-Muller算法、中心极限定理累加法、Monty Python算法及基于三角分布的分段近似法等。

在高斯白噪声发生器方面，早期的高斯白噪声发生器大多基于计算机软件进行实现，直到上个世纪八九十年代才陆续出现不同种类的高斯白噪声硬件发生器。例如，基于Ziggurat算法的高斯白噪声硬件发生器、基于Box-Muller算法的高斯白噪声硬件发生器及基于延迟斐波那契算法和中心极限定理的高斯白噪声硬件发生器等。然而，上述硬件发生器的研究重点主要在于如何以较低的FPGA资源消耗生成高质量的高斯白噪声，却忽略了高斯白噪声的生成速度。特别是，随着宽带、超宽带系统的不断问世，如何以较低的硬件资源消耗，实时地、高速地生成高质量的高斯白噪声显得至关重要。因此，研究高斯白噪声的高速、并行生成算法及硬件实现方法具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种实时高斯白噪声硬件发生器的并行实现方法，基于细胞自动机理论和Box_Muller算法，实现高斯白噪声硬件发生器的实时地、高速地、并行生成高质量的高斯白噪声。

本发明的实时高斯白噪声硬件发生器的并行实现方法，包括如下步骤：

步骤1，选定细胞自动机规则为零边界90/150细胞自动机规则，在该规则下，根据拟生成高斯白噪声的周期长度计算获得细胞自动机的阶次M及两个互逆的规则向量d₁和d₂，其中，d₁＝{d₁(m),m＝1,2,...,M}和d₂＝{d₂(m),m＝1,2,...,M}，规则向量中的元素d₁(m)和d₂(m)为0或1；