圖1:白噪聲是很多種噪聲中的一種,因?yàn)樗谧匀唤缰袕V泛存在,并且也是容易分析和理解的噪聲之一,所以非常受關(guān)注。(來(lái)源:www.real-statistics.com)
通常,噪聲的"進(jìn)入"路徑可分為三大類:
1.嵌入進(jìn)有用信號(hào)中的噪聲,例如調(diào)變信號(hào)上的靜電干擾;
2.與有用信號(hào)無(wú)關(guān)但進(jìn)入系統(tǒng)的噪聲,例如由電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)傳導(dǎo)或輻射而產(chǎn)生的噪聲;
3.電路及其組件內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲。
噪聲已成為許多設(shè)計(jì)中的限制因素。它會(huì)降低訊噪比(SNR)并增加誤碼率(BER),這可能會(huì)迫使傳輸重新進(jìn)行,以及限制模擬頻道或降低系統(tǒng)的靈敏度。正如一位項(xiàng)目經(jīng)理曾經(jīng)對(duì)我打趣說(shuō):「如果不用處理噪聲,我們的難題能少一半?!?/span>
從「噪聲是個(gè)麻煩」這一重要且反復(fù)存在的教訓(xùn)后果來(lái)看,很難想象噪聲有**會(huì)成為一件好事。但是,現(xiàn)實(shí)情況是,在某種「柔道式」(judo)的操作方式中,噪聲可能是有益的,可以利用噪聲的「缺點(diǎn)」來(lái)創(chuàng)造「好處」。
怎么創(chuàng)造?我可以想到以下情況:
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透過(guò)將隨機(jī)噪聲「抖動(dòng)」添加到數(shù)字化信號(hào)中,執(zhí)行多次模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換,然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行一些基本的統(tǒng)計(jì)分析,有可能可以將模擬數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)的分辨率提高到其物理額定值之外。當(dāng)然,會(huì)存在一些局限性和權(quán)衡問(wèn)題,因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換期間數(shù)字化訊號(hào)必須是穩(wěn)定的。并且,進(jìn)行更高分辨率轉(zhuǎn)換的時(shí)間等于基本模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)間乘以轉(zhuǎn)換周期數(shù)。
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將機(jī)械噪聲(也稱為抖動(dòng))添加到諸如伺服閥之類的組件中,通??梢苑乐归y芯的啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)中靜摩擦的阻礙。這個(gè)抖動(dòng)是一個(gè)添加到閥控訊號(hào)中的低振幅訊號(hào),通常在100Hz~1,000Hz之間,可使閥芯始終保持活動(dòng)。困難處是添加剛剛好的抖動(dòng)來(lái)防止靜摩擦,同時(shí)又不會(huì)因?yàn)樘砑拥锰嘁灾劣谑归y嚴(yán)重錯(cuò)位,從而導(dǎo)致對(duì)流體流量失去控制。
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有時(shí)需要將噪聲故意添加到信號(hào)通道中,以讓用戶知道系統(tǒng)已打開并且正在工作,而非連接中斷。當(dāng)1990年代數(shù)字蜂巢GSM標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以取代已有的模擬蜂巢系統(tǒng)時(shí),讓用戶感到不安的是,當(dāng)沒有人講話時(shí),音頻通道有時(shí)會(huì)是完全安靜的,于是他們真的會(huì)掛斷電話再打一次。
解決方案是在接收端添加舒適噪聲(comfort noise),這是一種合成背景噪聲,用來(lái)彌補(bǔ)信號(hào)傳輸中的「無(wú)聲」。出于相同的原因,一些IP語(yǔ)音(VoIP)鏈路中也使用了舒適噪聲。此舒適噪聲以較低但可以聽見的音量水平呈現(xiàn),音量通常根據(jù)接收訊號(hào)的平均音量而調(diào)整,從而大程度地減少刺耳的音頻廣播。為此甚至還存在一個(gè)建議標(biāo)準(zhǔn)——ETSI TS 100 96,該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了如何產(chǎn)生,以及產(chǎn)生多少這種噪聲。
噪聲也可以用作加密系統(tǒng)中的編碼密鑰,只要發(fā)送方和接收方可以訪問(wèn)相同的隨機(jī)序列和時(shí)序。這種加密噪聲可以是相對(duì)容易創(chuàng)建和重建的偽隨機(jī)序列,也可以是使用諸如Johnson噪聲、電子運(yùn)動(dòng)、光子的量子性質(zhì),甚至核衰變等現(xiàn)象的真正隨機(jī)序列。
用這種方式使用隨機(jī)噪聲的想法并不新穎。SIGSALY(別名:綠色大黃蜂)系統(tǒng)在第 二次世界大戰(zhàn)中被用于干擾羅斯??偨y(tǒng)和丘吉爾首相之間的通話。噪聲源是一個(gè)78rpm的錄音,伴隨真空管隨機(jī)噪聲,僅有兩個(gè)副本,通話連接的兩端各一個(gè),而連接兩端的電唱機(jī)轉(zhuǎn)盤同步是個(gè)大難題(圖2)。關(guān)于SIGSALY有一個(gè)非常詳細(xì)的討論,但我們很難將它涉及到的硬件都描繪出來(lái)。每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都由30多個(gè)全高19英寸的機(jī)架和四個(gè)轉(zhuǎn)盤組成,重達(dá)50,000公斤,耗能30kW,并有特殊的空調(diào)要求。
