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)中有用信號以外的有害干擾信號，習(xí)慣上把周期性的、規(guī)律的有害信號稱為干擾，而把其他有害的信號稱為噪聲。 噪聲可以籠統(tǒng)的稱為隨機(jī)的，不穩(wěn)定的能量。它分為加性噪聲和乘性噪聲，乘性噪聲隨著信號的存在而存在，當(dāng)信號消失后，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源，一般可以分為三方面：1 人為噪聲人為噪聲來源于無關(guān)的其它信號源，例如：外臺信號、開關(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、太陽黑子、大氣中的電暴和各種宇宙噪

2、聲等，這些噪聲所占的頻譜范圍很寬，并不像無線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)動和半導(dǎo)體中載流子的起伏變化等。內(nèi)部噪聲是由無數(shù)個自由電子做不規(guī)則運(yùn)動形成的，它的波形變化不規(guī)則，通常又稱起伏噪聲。在數(shù)學(xué)上可以用隨即過程來描述這種噪聲，因此又稱隨機(jī)噪聲。隨機(jī)噪聲的分類常見的隨機(jī)噪聲可分為三類:（1）單頻噪聲單頻噪聲是一種連續(xù)波的干擾（如外臺信號），它可視為一個已調(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。因此，單頻噪聲并不是在所有通信系統(tǒng)中都存

3、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)時間短，且相鄰?fù)话l(fā)脈沖之間往往有較長的安靜時段。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、電力線感應(yīng)等。數(shù)據(jù)傳輸對脈沖噪聲的容限取決于比特速率、調(diào)制解調(diào)方式以及對差錯率的要求。脈沖噪聲由于具有較長的安靜期，故對模擬話音信號的影響不大,脈沖噪聲雖然對模擬話音信號的影響不大，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，將會導(dǎo)致一連串的誤碼，對通信造成

4、嚴(yán)重的危害。CCITT關(guān)于租用電話線路的脈沖噪聲指標(biāo)是15分鐘內(nèi)，在門限以上的脈沖數(shù)不得超過18個。在數(shù)字通信中，通?？梢酝ㄟ^糾錯編碼技術(shù)來減輕這種危害。(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，無論在時域內(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型： 1.熱噪聲 又稱HYPERLINK /view/224804.htm白噪聲。是由HYPERLINK /view/56043.htm導(dǎo)體中HYPERLINK /view/3476.htm電子的熱震動引起的，它存在于所有HYPERLINK /view/

5、822203.htm電子器件和HYPERLINK /view/305337.htm傳輸介質(zhì)中。它是HYPERLINK /view/8193.htm溫度變化的結(jié)果，但不受HYPERLINK /view/30964.htm頻率變化的影響。熱噪聲是在所有HYPERLINK /view/423514.htm頻譜中以相同的形態(tài)分布，它是不能夠消除的，由此對HYPERLINK /view/815314.htm通信系統(tǒng)性能構(gòu)成了上限。 或稱HYPERLINK /view/4879913.htm約翰遜噪聲（Johnson noise）。HYPERLINK /view/77735.htm噪聲的一種。當(dāng)HYPER

6、LINK /view/485210.htm光電倍增管施加負(fù)高壓，而無光投射光電陰極時，由于光電極極與倍增極的電子HYPERLINK /view/1483947.htm熱發(fā)射和玻璃HYPERLINK /view/263209.htm外殼與HYPERLINK /view/907796.htm管座的HYPERLINK /view/866119.htm漏電，導(dǎo)致HYPERLINK /view/866776.htm熱電子由倍增極放大，所引起的HYPERLINK /view/412806.htm暗電流的HYPERLINK /view/1160658.htm波動。在HYPERLINK /view/33060

7、78.htm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年研究此類噪聲時,用子彈射入靶子時所產(chǎn)生的噪聲命名的。因此,它又稱為散彈噪聲或顆粒噪聲。在電化學(xué)研究中,當(dāng)電流流過被測體系時,如果被測體系的局部平衡仍沒有被破壞,此時被測體系的散粒效應(yīng)噪聲可以忽略不計。 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)體器件中，它是主要的噪聲來源。在低頻和中頻下，散粒噪聲與頻率無關(guān)（白噪聲），高頻時，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Idc和帶寬delt(f)成正

8、比關(guān)系：I2=2*q*Idc*delt(f)。 3.閃爍噪聲閃爍噪聲又稱為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。它同樣與流過被測體系的電流有關(guān)、與腐蝕電極的局部陰陽極反應(yīng)有關(guān)；所不同的是引起散粒噪聲的局部陰陽極反應(yīng)所產(chǎn)生的能量耗散掉了,且E外測表現(xiàn)為零或穩(wěn)定值2 ,而對應(yīng)于閃爍噪聲的E外測則表現(xiàn)為具有各種瞬態(tài)過程的變量。局部腐蝕(如點(diǎn)蝕)能顯著地改變腐蝕電極上局部微區(qū)的陽極反應(yīng)電阻值,從而導(dǎo)致E外測的劇烈變化。因此,當(dāng)電極發(fā)生局部腐蝕時,如果在開路電位下測定腐蝕電極的HYPERLINK /view/2787198.htm電化學(xué)噪聲。則電極電位會發(fā)生負(fù)移,之后伴

9、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定,則在電流-時間曲線上有一個正的脈沖尖蜂。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)在整個頻域內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布。換句話說，此HYPERLINK /view/54338.htm信號在各個頻段上的功率是一樣的，由于白光是由各種HYPERLINK /view/30964.htm頻率（顏色）的單色光混合而成，因而此信號的這種具有平坦功率譜的性質(zhì)被稱作是“白色的”，此信號也因此被稱作白噪聲。相對的，其他不具有這一性質(zhì)的噪聲信號被稱為HYPERLINK /view/2315984.htm有色噪聲。 理想的

10、白噪聲具有無限帶寬，因而其能量是無限大，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視為白HYPERLINK /view/21385.htm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，只要一個噪聲過程所具有的HYPERLINK /view/423514.htm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)來考慮，就可以把它作為白噪聲來處理。例如，HYPERLINK /view/628485.htm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，通常可以認(rèn)為它們是白噪聲。

11、定義 自相關(guān)函數(shù) 在任意兩個不同時刻上的隨機(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)，如圖所示。 應(yīng)用雖然白噪聲產(chǎn)生許多危害，但我們同樣可以對它進(jìn)行一些應(yīng)用。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。一些緊急車輛的警報器也使用白噪聲，因?yàn)榘自肼暷軌虼┻^如城市中HYPERLINK /view/1051487.htm交通噪聲這樣的背景噪聲并且不會引起反射，所以更加容易引起人們的注意。 2.在電子音樂中也有白噪聲的應(yīng)用，它被直接或者作為濾波器的輸入信號以產(chǎn)生其它類型的噪聲信號，尤其是在音頻合成中，經(jīng)常

12、用來重現(xiàn)類似于鐃鈸這樣在HYPERLINK /view/628441.htm頻域有很高噪聲成分的打擊樂器。 白噪聲也用來產(chǎn)生沖擊響應(yīng)。為了在一個演出地點(diǎn)保證音樂會或者其它演出的均衡效果，從P A 系統(tǒng)發(fā)出一個瞬間的白噪聲或者HYPERLINK /view/386211.htm粉紅噪聲，并且在不同的地方監(jiān)測噪聲信號，這樣工程師就能夠建筑物的聲學(xué)效應(yīng)能夠自動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平衡的和聲。 白噪聲可以用于放大器或者電子濾波器的頻率響應(yīng)測試，有時它與響應(yīng)平坦的話筒或和自動均衡器一起使用。這個設(shè)計的思路是系統(tǒng)會產(chǎn)生白噪聲，話筒接收到HYPERLINK /vie

13、w/29867.htm揚(yáng)聲器產(chǎn)生的白噪聲，然后在每個頻率段進(jìn)行自動均衡從而得到一個平坦的響應(yīng)。這種系統(tǒng)用在專業(yè)級的設(shè)備、高端的家庭HYPERLINK /view/106153.htm立體聲系統(tǒng)或者一些高端的汽車收音機(jī)上。 5.白噪聲也作為一些HYPERLINK /view/1587526.htm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，并且可能用于感覺剝奪技術(shù)的一部分。上市銷售的白噪聲HYPERLINK /view/126147.htm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。高斯白噪聲 高斯白噪聲，是指噪聲的概率密度函數(shù)滿足正態(tài)分布統(tǒng)計特性，同時它的功率譜密度函數(shù)

14、是常數(shù)的一類噪聲。這里值得注意的是，高斯型白噪聲同時涉及到噪聲的兩個不同方面，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、計算系統(tǒng)抗噪聲性能時，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提供一定帶寬的通道，其作用在于一方面讓信號暢通無阻，同時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

15、個帶通系統(tǒng)。下面研究帶通情況下的噪聲情況。 當(dāng)高斯噪聲通過以為中心角頻率的窄帶系統(tǒng)時，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)小于其中心頻率的系統(tǒng)，即的系統(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)是頻譜局限在附近很窄的頻率范圍內(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，它是一個頻率近似為，包絡(luò)和相位隨機(jī)變化的正弦波。 因此，窄帶高斯噪聲可表示為 式中，為噪聲的隨機(jī)包絡(luò)；為噪聲的隨機(jī)相位。相對于載波的變化而言，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： 特點(diǎn)： （1） 一個均值為零的窄帶高斯噪聲n（t），假定它是平穩(wěn)隨機(jī)過程，則它的同相分量nI（t）和正交分量nQ（t）也是平穩(wěn)隨機(jī)過程，為高斯