Le bruit n'est pas toujours une mauvaise chose : pourquoi et comment l'utiliser pour les applications de test et de circuit

Les ingénieurs et les techniciens en électronique ont l'habitude de considérer le bruit comme un élément négatif. Ils cherchent donc à le minimiser lors de la sélection des composants, de la conception des circuits et de la configuration des cartes. Le fait est que, parfois, le bruit aléatoire ou pseudo-aléatoire peut être utile. Regardons cela de plus près pour voir pourquoi et comment en tirer parti.

Il existe deux types de bruit aléatoire couramment utilisés dans diverses applications : le bruit blanc et le bruit rose. Le bruit blanc a un spectre de fréquences plat avec une puissance égale, mesurée en décibels (dB), sur toute sa largeur de bande. Le bruit rose a une puissance égale sur chaque octave de fréquence dans sa largeur de bande (Figure 1).

Figure 1 : Comparaison des spectres de fréquences du bruit blanc et du bruit rose. Le spectre de puissance du bruit blanc est plat, tandis que celui du bruit rose diminue à 3 dB par octave. (Source de l'image : Art Pini)

Étant donné qu'il se rapproche de la réponse de l'oreille humaine, le bruit rose est utilisé pour les tests audio et l'égalisation des systèmes sonores.

L'égalisation de la pièce ajuste la réponse en fréquence d'un système sonore pour produire exactement le même signal que celui qui y est introduit. Si vous introduisez un bruit rose dans le système sonore, l'égaliseur est réglé pour faire sortir du bruit rose, tel que mesuré sur un analyseur de spectre (Figure 2).

Figure 2 : La réponse en fréquence de la pièce est ajustée à l'aide de l'égaliseur pour reproduire l'entrée sans perte ni distorsion. (Source de l'image : Art Pini)

Le bruit blanc est utilisé pour mesurer la réponse en fréquence et comme source de diffusion pour les communications à spectre étalé.

Prenons l'exemple suivant, qui caractérise la réponse en fréquence d'un filtre à fréquence intermédiaire (FI) de 10,7 mégahertz (MHz) (Figure 3).

Figure 3 : Utilisation d'un bruit blanc à large bande pour mesurer la réponse en fréquence d'un filtre FI de 10,7 MHz. (Source de l'image : Art Pini)

Le bruit blanc, illustré en haut à gauche, est introduit dans le filtre par le biais d'un réseau d'adaptation d'impédance approprié. Le spectre de fréquences de l'entrée, illustré en bas à gauche, est plat sur toute la gamme de fréquences d'intérêt. La sortie du filtre, correctement terminée, est représentée en haut à droite. Son amplitude est inférieure à celle de l'entrée, car le filtre passe-bande a atténué les composantes de fréquence situées en dehors de la largeur de bande du filtre. Le spectre de fréquences de la sortie du filtre, en bas à droite, montre que le filtre a une largeur de bande d'environ 400 kilohertz (kHz) à une fréquence centrale de 10,7 MHz. La réponse en fréquence théorique est le rapport complexe entre le signal de sortie et le signal d'entrée. L'amplitude du signal d'entrée étant uniforme, le spectre de sortie montre la réponse spectrale en amplitude du filtre.

Construction d'un générateur de bruit

Les générateurs de bruit peuvent reposer sur trois technologies de base. La première consiste à utiliser le bruit thermique produit dans les résistances. Ce bruit électronique est généré par l'agitation thermique des électrons à l'intérieur d'un conducteur électrique, ce qui se produit indépendamment de toute tension appliquée. Le bruit produit est essentiellement un bruit gaussien blanc, qui doit être mis en tampon par des amplificateurs à gain très élevé.

La deuxième méthode consiste à utiliser une diode à claquage par avalanche ou une diode Zener à polarisation inverse. Ce bruit est également blanc et a un niveau plus élevé que le bruit thermique, mais nécessite toujours des amplificateurs à gain élevé.

La troisième méthode consiste à générer une séquence binaire pseudo-aléatoire (PRBS) en utilisant un registre à décalage, ainsi qu'un convertisseur numérique-analogique (CNA) et un filtre pour convertir la séquence PRBS en bruit blanc. Le flux du bruit PRBS a une longueur finie qui se répète. Cette longueur peut être définie par le nombre d'étages du registre à décalage. L'inverse de la durée du signal est la fréquence la plus basse qui peut être reproduite par le générateur PRBS. Le générateur PRBS offre la tension de sortie la plus élevée et ne nécessite pas d'amplificateurs à gain élevé.

Le générateur PRBS peut être implémenté avec des registres à décalage discrets, comme le montre la Figure 4, ou avec un système sur puce programmable, comme un microcontrôleur ou un FPGA.

Figure 4 : Implémentation d'un générateur de bruit PRBS 16 bits avec deux circuits intégrés discrets à bascule D. (Source de l'image : Art Pini)

La conception du générateur PRBS à faible coût illustré à la Figure 4 est basée sur l'implémentation d'un registre à décalage à rétroaction linéaire qui utilise le double registre à décalage statique 4 bits MC14015DG d'onsemi et la quadruple porte XOR CD4070BMT de Texas Instruments. Seize bascules D (huit par circuit intégré), avec des systèmes de rétroaction au niveau de la 14e et de la15e, produisent un schéma de données PRBS15. La connexion de rétroaction se fait via une porte XOR. Ce schéma de données présente une longueur de 32 767 bits, soit une durée d'environ 65 millisecondes (ms) à une fréquence d'horloge de 500 kHz. Il est possible d'obtenir des schémas plus longs en utilisant plus de registres à décalage, avec un changement approprié dans les systèmes de rétroaction.

Le générateur est initialisé à l'état « tout à zéro » au démarrage en utilisant une porte NAND à bascule de Schmitt MC14093BDR2G (IC5) d'onsemi et un réseau résistance-condensateur (RC) de base. L'horloge est fournie par un simple oscillateur CMOS fonctionnant à près de 500 kHz. La sortie numérique peut être prise à partir de n'importe laquelle des sorties Q du registre à décalage. Dans ce cas, la sortie Q14 a été utilisée.

Bien qu'il soit possible d'utiliser un filtre analogique, il serait limité à une fréquence d'horloge spécifique. En utilisant un filtre numérique passe-bas à réponse impulsionnelle finie (RIF), la coupure du filtre suit tous les changements de fréquence d'horloge. De plus, le filtre RIF peut fournir des fréquences de coupure très basses qui nécessiteraient de très grands condensateurs dans un filtre analogique. Le filtre RIF combine la somme pondérée des sorties du registre à décalage. La pondération requise pour produire une réponse de filtre passe-bas rectangulaire dans le domaine fréquentiel est sin(x)/x dans le domaine temporel (Figure 5).

Figure 5 : L'étage de sortie du générateur utilise des échantillons pondérés sin(x)/x provenant des sorties du registre à décalage pour implémenter un filtre passe-bas RIF. (Source de l'image : Art Pini)

Les sorties pondérées du registre à décalage sont additionnées dans l'amplificateur différentiel, qui comprend trois sections d'un quadruple amplificateur opérationnel LM324KDR. La rangée supérieure de résistances représente les composantes négatives de la pondération sin(x)/x. La rangée inférieure de résistances représente les valeurs positives. Cette bande de filtrage numérique limite la sortie à environ 5 % de la fréquence d'horloge de 500 kHz, soit 25 kHz, ce qui convient à des fins de test de fréquence audio.

La sortie de bruit blanc de ce générateur peut être convertie en bruit rose à l'aide d'un simple filtre résistance-condensateur (Figure 6).

Figure 6 : Ce simple filtre RC produira un bruit rose à partir de la sortie de bruit numérique du générateur. (Source de l'image : Art Pini)

L'amplificateur est choisi en fonction de la charge prévue. Ce type de générateur de bruit est adapté aux tests audio et à l'égalisation.

Conclusion

Bien que le bruit soit généralement quelque chose à supprimer ou du moins à atténuer, le bon type de bruit peut être utile. En raison de leur répartition spectrale énergétique connue, le bruit blanc et le bruit rose constituent une excellente ressource pour les tests de réponse en fréquence. Comme illustré ici, un générateur de bruit approprié peut rapidement être construit à l'aide de quelques composants standard.