音频测试用粉色噪声发生器

本文的内容主要来自于 Rod Elliott  写的 Pink Noise Generator for Audio Testing. 有删减。

测试音频设备时，粉色噪声发生器是个很有用的测试工具。粉色噪声有些人可能不太熟悉，白噪声大家都知道，是指各个频段内能量相同的噪声。白噪声适合测量系统的频响特性（也就是系统函数）。粉色噪声指的是每个倍频程内能量相同的噪声，比如40到80Hz频段内的能量与10KHz到20KHz频段内的能量是相同的。在白噪声发生器后面连接一个3db/倍频程衰减的滤波器后得到的输出就是粉色噪声了。

3db/倍频程衰减的滤波器构造起来稍微有点麻烦，因为通常的N阶低通滤波器，是按照6N dB/倍频程衰减的。我们需要用多个滤波器分段拟合出3db/倍频程衰减的曲线来。分的段越多，越接近理想的3db/倍频程特性。

图1 给出了一个简单的粉色噪声发生器的电路。使用了双运放 RC4558，也可以用更便宜的运放来替换。这个电路不需要使用低噪声器件（这个电路本身就是用来产生噪声的），所以都可以选用最便宜的器件。

Figure 1 - 粉色噪声发生器 (简单滤波器)

三极管 BC548 集电极-发生极反向偏置，在这里相当于一个发出噪声的齐纳二极管。噪声大约能有30mV。三极管的齐纳电压离散性比较大，从5V到10V之间都有可能。 有时，可能会发现某个三极管产生的噪声很小，这时可以多试几个，从中挑出一个噪声比较大的来。

第一个运放构成了一个放大器，提供了很高的输入阻抗，增益为11（20.8dB）。C4需要使用无极性电容，因为我们无法提前确定C4的哪一端电压高。C8可以用普通的电解电容，因为输出电压大约在1V左右，普通的电解电容都能承受。

第二个运放构成了3db/倍频程低通滤波器，这个滤波器在20Hz到20KHz这个频段内线性度还是不错的。R4给的是10K，也可以适当的调整，但是不能小于2.2K，否则可能会烧毁第一个运放。

图1A给出了一个更复杂的滤波器，这个滤波器在1Hz到100KHz范围内线性度都很好。

Figure 1A - 另一个 3dB/ Octave 滤波器

这个电路调试起来很简单，用示波器看一下输出有没有被限幅，如果限幅了，就增大R3或者R4的值。其他好像就没什么注意事项了。

Figure 2 - 基本滤波器的频响特性

图2给出的是基本滤波器的频响特性，总体来说还可以。如果不满意可以用另一个滤波器。

Figure 2A - 另一个滤波器的频响曲线

这个滤波器在 1Hz到100kHz这个频段内的线性度都很好，基本上没有什么进一步优化的余地了。 如果低频不需要到这么低，可以将Rf1和Cf1去掉，但是同时要将R8的1.8M电阻换为1M电阻。

需要注意的是这个电路低频段输出信号的幅度很大，有可能会烧掉喇叭。因此可以适当的减小C4的容值。

IEC 粉色噪声滤波器

由于粉色噪声在低频段能量很大，IEC定义了一个频率受限的粉色噪声， IEC 60268-1 给出了一个在 22.4Hz 到22.4kHz平坦的带通滤波器，用它来限制粉色噪声的频谱。
这个带通滤波器的频响特性如下图。

Figure 3 - IEC 带通滤波器

图4给出的滤波器满足IEC的要求。首先是一个2阶（12dB/倍频程）高通滤波器，截止频率22.7Hz,后面接了一个3阶（18dB/倍频程）低通滤波器截止频率24.1KHz。

Figure 4 - IEC 滤波器的电路图

这个滤波器的实际频率响应如下图。

ok, 到这里构造一个粉色噪声发生器所需的全部电路都齐备了。剩下的就是动手实验了。

用这种模拟电路的方式构造粉色噪声发生器还是挺麻烦的，有空了写一篇直接软件生成粉色噪声的文章。