通信原理----噪聲

1、通信原理-噪聲噪聲，從廣義上講是指通信系統(tǒng)中有用信號(hào)以外的有害干擾信號(hào)，習(xí)慣上把周期性的、規(guī)律的有害信號(hào)稱(chēng)為干擾，而把其他有害的信號(hào)稱(chēng)為噪聲。噪聲可以籠統(tǒng)的稱(chēng)為隨機(jī)的，不穩(wěn)定的能量。它分為加性噪聲和乘性噪聲， 乘性噪聲隨著信號(hào)的存在而存在，當(dāng)信號(hào)消失后，乘性噪聲也隨之消失。在這里 我們主要討論加性噪聲。一、信道中加性噪聲的來(lái)源，一般可以分為三方面 ：1人為噪聲人為噪聲來(lái)源于無(wú)關(guān)的其它信號(hào)源，例如：外臺(tái)信號(hào)、開(kāi)關(guān)接觸噪聲、工業(yè) 的點(diǎn)火輻射等，這些干擾一般可以消除，例如加強(qiáng)屏蔽、濾波和接地措施等2自然噪聲自然噪聲是指自然界存在的各種電磁波源，例如：閃電、雷擊、太陽(yáng)黑子、 大氣中的電暴和各種宇宙噪聲

2、等， 這些噪聲所占的頻譜范圍很寬，并不像無(wú)線(xiàn)電 干擾那樣頻率是固定的，所以這種噪聲難以消除。3內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲是系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲，例如：電阻中自由電子的熱運(yùn)動(dòng) 和半導(dǎo)體中載流子的起伏變化等。內(nèi)部噪聲是由無(wú)數(shù)個(gè)自由電子做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)形 成的，它的波形變化不規(guī)則，通常又稱(chēng)起伏噪聲。在數(shù)學(xué)上可以用隨即過(guò)程來(lái)描 述這種噪聲，因此又稱(chēng)隨機(jī)噪聲。隨機(jī)噪聲的分類(lèi)常見(jiàn)的隨機(jī)噪聲可分為三類(lèi)：（1）單頻噪聲單頻噪聲是一種連續(xù)波的干擾（如外臺(tái)信號(hào)），它可視為一個(gè)已調(diào)正弦波， 但其幅度、頻率或相位是事先不能預(yù)知的。這種噪聲的主要特點(diǎn)是占有極窄的頻 帶，但在頻率軸上的位置可以實(shí)測(cè)。因此，單頻噪聲并不是在所有通信

3、系統(tǒng)中都 存在。(2) 脈沖噪聲脈沖噪聲是突發(fā)出現(xiàn)的幅度高而持續(xù)時(shí)間短的離散脈沖。這種噪聲的主要特點(diǎn)是其突發(fā)的脈沖幅度大，但持續(xù)時(shí)間短，且相鄰?fù)话l(fā)脈沖之間往往有較長(zhǎng)的安 靜時(shí)段。從頻譜上看，脈沖噪聲通常有較寬的頻譜(從甚低頻到高頻)，但頻率越高，其頻譜強(qiáng)度就越小。脈沖噪聲主要來(lái)自機(jī)電交換機(jī)和各種電氣干擾，雷電干擾、電火花干擾、電力線(xiàn)感應(yīng)等。數(shù)據(jù)傳輸對(duì)脈沖噪聲的容限取決于比特速率、 調(diào)制解調(diào)方式以及對(duì)差錯(cuò)率的要求。脈沖噪聲由于具有較長(zhǎng)的安靜期，故對(duì)模擬 話(huà)音信號(hào)的影響不大，脈沖噪聲雖然對(duì)模擬話(huà)音信號(hào)的影響不大，但是在數(shù)字通 信中，它的影響是不容忽視的。一旦出現(xiàn)突發(fā)脈沖，由于它的幅度大，將會(huì)導(dǎo)致

4、一連串的誤碼，對(duì)通信造成嚴(yán)重的危害。 CCITT關(guān)于租用電話(huà)線(xiàn)路的脈沖噪聲指 標(biāo)是15分鐘內(nèi)，在門(mén)限以上的脈沖數(shù)不得超過(guò)18個(gè)。在數(shù)字通信中，通?？梢酝?過(guò)糾錯(cuò)編碼技術(shù)來(lái)減輕這種危害。(3) 起伏噪聲起伏噪聲是以熱噪聲、散彈噪聲及宇宙噪聲為代表的噪聲。這些噪聲的特點(diǎn) 是，無(wú)論在時(shí)域內(nèi)還是在頻域內(nèi)他們總是普遍存在和不可避免的。起伏噪聲既不能避免，且始終存在。二、噪聲分為以下幾種類(lèi)型：1熱噪聲又稱(chēng)白噪聲。是由導(dǎo)體中電子的熱震動(dòng)引起的，它存在于所有電子器件和 傳輸介質(zhì)中。它是溫度變化的結(jié)果，但不受頻率變化的影響。熱噪聲是在所有 頻譜中以相同的形態(tài)分布，它是不能夠消除的，由此對(duì)通信系統(tǒng)性能構(gòu)成了上 限

5、?；蚍Q(chēng)約翰遜噪聲(Johnson noise。噪聲的一種。當(dāng)光電倍增管施加負(fù)高壓， 而無(wú)光投射光電陰極時(shí)，由于光電極極與倍增極的電子熱發(fā)射和玻璃外殼與管 座的漏電，導(dǎo)致熱電子由倍增極放大， 所引起的暗電流的波動(dòng)。 在記錄儀器上 則出現(xiàn)噪聲。2散粒噪聲散粒噪聲是半導(dǎo)體的載體密度變化引起的噪聲。散粒效應(yīng)噪聲是Schottky于1918年研究此類(lèi)噪聲時(shí)，用子彈射入靶子時(shí)所產(chǎn) 生的噪聲命名的。因此，它又稱(chēng)為散彈噪聲或顆粒噪聲。在電化學(xué)研究中，當(dāng)電流 流過(guò)被測(cè)體系時(shí)，如果被測(cè)體系的局部平衡仍沒(méi)有被破壞，此時(shí)被測(cè)體系的散粒效 應(yīng)噪聲可以忽略不計(jì)。散粒噪聲是由形成電流的載流子的分散性造成的，在大多數(shù)半導(dǎo)體器

6、件中， 它是主要的噪聲來(lái)源。在低頻和中頻下，散粒噪聲與頻率無(wú)關(guān)（白噪聲） ，高頻 時(shí)，散粒噪聲譜變得與頻率有關(guān)。散粒噪聲有白噪聲的特性，其電流均方值與電子電荷量q、總的直流電流Ide 和帶寬delt（f）成正比關(guān)系：22=2*q*ldc*delt。3閃爍噪聲閃爍噪聲又稱(chēng)為1/f噪聲。a 一般為1、2、4,也有取6或更大值的情況。與散 粒噪聲一樣。它同樣與流過(guò)被測(cè)體系的電流有關(guān)、與腐蝕電極的局部陰陽(yáng)極反應(yīng)有關(guān)；所不同的是引起散粒噪聲的局部陰陽(yáng)極反應(yīng)所產(chǎn)生的能量耗散掉了，且E外測(cè)表現(xiàn)為零或穩(wěn)定值2，而對(duì)應(yīng)于閃爍噪聲的E外測(cè)則表現(xiàn)為具有各種瞬態(tài)過(guò) 程的變量。局部腐蝕（如點(diǎn)蝕）能顯著地改變腐蝕電極上局

7、部微區(qū)的陽(yáng)極反應(yīng)電阻 值，從而導(dǎo)致E外測(cè)的劇烈變化。因此，當(dāng)電極發(fā)生局部腐蝕時(shí)，如果在開(kāi)路電位下 測(cè)定腐蝕電極的電化學(xué)噪聲。則電極電位會(huì)發(fā)生負(fù)移，之后伴隨著電極局部腐蝕部位的修復(fù)而正移；如果在恒壓情況下測(cè)定，則在電流-時(shí)間曲線(xiàn)上有一個(gè)正的脈 沖尖蜂。三、白噪聲在通信系統(tǒng)中，經(jīng)常碰到的噪聲之一就是白噪聲。 所謂白噪聲是指它的功率 譜密度函數(shù)在整個(gè)頻域內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布。換句話(huà)說(shuō)，此信號(hào)在各個(gè)頻段上的功率是一樣的，由于白光是由各種頻率（顏色）的單色 光混合而成，因而此信號(hào)的這種具有平坦功率譜的性質(zhì)被稱(chēng)作是白色的”此信號(hào)也因此被稱(chēng)作白噪聲。相對(duì)的，其他不具有這一性質(zhì)的噪聲信號(hào)被稱(chēng)為有色 噪聲。

8、理想的白噪聲具有無(wú)限帶寬，因而其能量是無(wú)限大，這在現(xiàn)實(shí)世界是不可能 存在的。實(shí)際上，我們常常將有限帶寬的平整訊號(hào)視為白噪音，因?yàn)檫@讓我們 在數(shù)學(xué)分析上更加方便。然而，白噪聲在數(shù)學(xué)處理上比較方便， 因此它是系統(tǒng)分析的有力工具。一般，只要一個(gè)噪聲過(guò)程所具有的頻譜寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它所作用 系統(tǒng)的帶寬，并且在該帶寬中其頻譜密度基本上可以作為常數(shù)來(lái)考慮，就可以把 它作為白噪聲來(lái)處理。例如，熱噪聲和散彈噪聲在很寬的頻率范圍內(nèi)具有均勻 的功率譜密度，通?？梢哉J(rèn)為它們是白噪聲。定義卩3弋自相關(guān)函數(shù)(-co < a < + co)在任意兩個(gè)不同時(shí)刻上的隨機(jī)取值都是不相關(guān)的白噪聲的功率譜密度及其自相關(guān)函數(shù)

9、，如圖所示應(yīng)用雖然白噪聲產(chǎn)生許多危害，但我們同樣可以對(duì)它進(jìn)行一些應(yīng)用。1白噪聲的應(yīng)用領(lǐng)域之一是建筑聲學(xué)， 為了減弱內(nèi)部空間中分散人注意力并 且不希望出現(xiàn)的噪聲（如人的交談），使用持續(xù)的低強(qiáng)度噪聲作為背景聲音。一 些緊急車(chē)輛的警報(bào)器也使用白噪聲，因?yàn)榘自肼暷軌虼┻^(guò)如城市中交通噪聲這 樣的背景噪聲并且不會(huì)引起反射，所以更加容易引起人們的注意。2.在電子音樂(lè)中也有白噪聲的應(yīng)用，它被直接或者作為濾波器的輸入信號(hào)以 產(chǎn)生其它類(lèi)型的噪聲信號(hào)，尤其是在音頻合成中，經(jīng)常用來(lái)重現(xiàn)類(lèi)似于鐃鈸這樣 在頻域有很高噪聲成分的打擊樂(lè)器。3白噪聲也用來(lái)產(chǎn)生沖擊響應(yīng)。為了在一個(gè)演出地點(diǎn)保證音樂(lè)會(huì)或者其它演 出的均衡效果，從P

10、 A系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)瞬間的白噪聲或者粉紅噪聲，并且在不同 的地方監(jiān)測(cè)噪聲信號(hào)，這樣工程師就能夠建筑物的聲學(xué)效應(yīng)能夠自動(dòng)地放大或者 削減某些頻率，從而就可以調(diào)整總體的均衡效果以得到一個(gè)平衡的和聲。4白噪聲可以用于放大器或者電子濾波器的頻率響應(yīng)測(cè)試，有時(shí)它與響應(yīng)平坦的話(huà)筒或和自動(dòng)均衡器一起使用。 這個(gè)設(shè)計(jì)的思路是系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生白噪聲， 話(huà)筒 接收到揚(yáng)聲器產(chǎn)生的白噪聲，然后在每個(gè)頻率段進(jìn)行自動(dòng)均衡從而得到一個(gè)平 坦的響應(yīng)。這種系統(tǒng)用在專(zhuān)業(yè)級(jí)的設(shè)備、高端的家庭立體聲系統(tǒng)或者一些高端 的汽車(chē)收音機(jī)上。5白噪聲也作為一些隨機(jī)數(shù)字生成器的基礎(chǔ)使用。6.白噪聲也可以用于審訊前使人迷惑，并且可能用于感覺(jué)剝奪技術(shù)的一部

11、分。上市銷(xiāo)售的白噪聲機(jī)器產(chǎn)品有私密性增強(qiáng)器、睡眠輔助器以及掩飾耳鳴。四、咼斯白噪聲高斯白噪聲，是指噪聲的概率密度函數(shù)滿(mǎn)足正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)特性，同時(shí)它的功率譜密度函數(shù)是常數(shù)的一類(lèi)噪聲。這里值得注意的是，高斯型白噪聲同時(shí)涉及到噪 聲的兩個(gè)不同方面，即概率密度函數(shù)的正態(tài)分布性和功率譜密度函數(shù)均勻性，二者缺一不可。在通信系統(tǒng)的理論分析中，特別是在分析、計(jì)算系統(tǒng)抗噪聲性能時(shí)，經(jīng)常假 定系統(tǒng)中信道噪聲（即前述的起伏噪聲）為高斯型白噪聲。其原因在于1是高斯型白噪聲可用具體數(shù)學(xué)表達(dá)式表述，便于推導(dǎo)分析和運(yùn)算；2.是高斯型白噪聲確實(shí)反映了實(shí)際信道中的加性噪聲情況，比較真實(shí)地代表 了信道噪聲的特性。窄帶高斯噪聲通信的

12、目的在于傳遞信息，通信系統(tǒng)的組成往往是為攜帶信息的信號(hào)提供一 定帶寬的通道，其作用在于一方面讓信號(hào)暢通無(wú)阻，同時(shí)最大限度的抑制帶外噪 聲。所以實(shí)際通信系統(tǒng)往往是一個(gè)帶通系統(tǒng)。下面研究帶通情況下的噪聲情況。當(dāng)高斯噪聲通過(guò)以為中心角頻率的窄帶系統(tǒng)時(shí)，就可形成窄帶高斯噪聲。 所謂窄帶系統(tǒng)是指系統(tǒng)的頻帶寬度"遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其中心頻率二的系統(tǒng)，即 斯-叫/湖的系統(tǒng)。這是符合大多數(shù)信道的實(shí)際情況的。窄帶高斯噪聲的特點(diǎn)是頻譜局限在士?jī)焊浇苷念l率范圍內(nèi)，其包絡(luò)和相 位都在作緩慢隨機(jī)變化。如用示波器觀察其波形，它是一個(gè)頻率近似為二，包絡(luò)和相位隨機(jī)變化的正弦波。因此，窄帶高斯噪聲十可表示為式中，廠為噪聲的隨機(jī)包絡(luò)； m為噪聲打的隨機(jī)相位。相對(duì)于載波的變化而言，它們的變化要緩慢的多 窄帶高斯噪聲的頻譜和波形示意圖：和率蚯您拘A特點(diǎn):（1）一個(gè)均值為零的窄帶高斯噪聲n （t），假定它是平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程, 則它的同相分量nI （t）和正交分量nQ （t）也是平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，為高斯分布， 且均值也都為零，方差也相同。（2）窄帶高斯噪聲的隨機(jī)包絡(luò)服從瑞利分布