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      電路有用噪聲的示例

      從正式和非正式的教育開始,直至幾乎所有的工程項目,工程師們都認識到噪聲一直是個潛在問題,即使對于數字設計也是如此。噪聲有許多類型和特征,其中包括高斯(Gaussian)噪聲、白(white)噪聲、萊斯(Rician)噪聲、粉紅(pink)噪聲(有時也稱作閃爍噪聲)、1/f、脈沖噪聲(impulse noise)、散粒噪聲(shot noise)、約翰遜-奈奎斯特(Johnson-Nyquist)噪聲、循環平穩噪聲(cyclostationarynoise)、熱噪聲和量化噪聲(quantization noise),本文僅列舉幾種可互相重疊的類型(圖1)。


      圖1:白噪聲是很多種噪聲中的一種,因為它在自然界中廣泛存在,并且也是容易分析和理解的噪聲之一,所以非常受關注。(來源:www.real-statistics.com)

       

      通常,噪聲的"進入"路徑可分為三大類:

      1.嵌入進有用信號中的噪聲,例如調變信號上的靜電干擾;

      2.與有用信號無關但進入系統的噪聲,例如由電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)傳導或輻射而產生的噪聲;

      3.電路及其組件內部產生的噪聲。

      噪聲已成為許多設計中的限制因素。它會降低訊噪比(SNR)并增加誤碼率(BER),這可能會迫使傳輸重新進行,以及限制模擬頻道或降低系統的靈敏度。正如一位項目經理曾經對我打趣說:「如果不用處理噪聲,我們的難題能少一半。」

      從「噪聲是個麻煩」這一重要且反復存在的教訓后果來看,很難想象噪聲有**會成為一件好事。但是,現實情況是,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」來創造「好處」。


      怎么創造?我可以想到以下情況:

      • 透過將隨機噪聲「抖動」添加到數字化信號中,執行多次模擬/數字轉換,然后對結果進行一些基本的統計分析,有可能可以將模擬數位轉換器(ADC)的分辨率提高到其物理額定值之外。當然,會存在一些局限性和權衡問題,因為在轉換期間數字化訊號必須是穩定的。并且,進行更高分辨率轉換的時間等于基本模擬數字轉換時間乘以轉換周期數。

      • 將機械噪聲(也稱為抖動)添加到諸如伺服閥之類的組件中,通常可以防止閥芯的啟動運動中靜摩擦的阻礙。這個抖動是一個添加到閥控訊號中的低振幅訊號,通常在100Hz~1,000Hz之間,可使閥芯始終保持活動。困難處是添加剛剛好的抖動來防止靜摩擦,同時又不會因為添加得太多以至于使閥嚴重錯位,從而導致對流體流量失去控制。

      • 有時需要將噪聲故意添加到信號通道中,以讓用戶知道系統已打開并且正在工作,而非連接中斷。當1990年代數字蜂巢GSM標準發布以取代已有的模擬蜂巢系統時,讓用戶感到不安的是,當沒有人講話時,音頻通道有時會是完全安靜的,于是他們真的會掛斷電話再打一次。


      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,用來彌補信號傳輸中的「無聲」。出于相同的原因,一些IP語音(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,音量通常根據接收訊號的平均音量而調整,從而大程度地減少刺耳的音頻廣播。為此甚至還存在一個建議標準——ETSI TS 100 96,該標準規范了如何產生,以及產生多少這種噪聲。


      噪聲也可以用作加密系統中的編碼密鑰,只要發送方和接收方可以訪問相同的隨機序列和時序。這種加密噪聲可以是相對容易創建和重建的偽隨機序列,也可以是使用諸如Johnson噪聲、電子運動、光子的量子性質,甚至核衰變等現象的真正隨機序列。


      用這種方式使用隨機噪聲的想法并不新穎。SIGSALY(別名:綠色大黃蜂)系統在第 二次世界大戰中被用于干擾羅斯福總統和丘吉爾首相之間的通話。噪聲源是一個78rpm的錄音,伴隨真空管隨機噪聲,僅有兩個副本,通話連接的兩端各一個,而連接兩端的電唱機轉盤同步是個大難題(圖2)。關于SIGSALY有一個非常詳細的討論,但我們很難將它涉及到的硬件都描繪出來。每個終端節點都由30多個全高19英寸的機架和四個轉盤組成,重達50,000公斤,耗能30kW,并有特殊的空調要求。



      圖2:在第 二次世界大戰中,龐大的超級機密SIGSALY加擾器系統中使用的兩個轉盤,用來播放具有真正隨機噪聲的錄音帶,噪聲用于編碼和解碼音頻訊號。(來源:Crypto Museum)

       

      可以將噪聲添加到電動車和混合動力車輛中。因為電動車和混合動力車在電動模式下的特征之一是它們在低速行駛時幾乎無噪音,這可能會使周圍的行人或騎自行車的人,尤其是有視力障礙的人感到不安,甚至導致危險。于是,在美國和全球,現在這些車輛都被要求(通過逐步實施,現已被延后),當以低于30公里/小時或18.6mph的速度行駛時,發出指定響度和頻譜的噪聲(圖3)。還有一份由美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)提供的長達137頁的環境評估報告。也許憤世嫉俗的人會說,制造非常安靜的車輛就是吃力不討好。


      圖3:以10mph速度行駛的車輛發出的噪聲,曲線是A加權的1/3八度音階示例。(來源:NHTSA)

       

      當然,這里僅列出幾個有用噪聲的示例。高斯噪聲、白色噪聲、粉紅噪聲和其他噪聲頻譜都可以用于掩蓋令人不快的聲音、遮掩或模糊影像,以及隱藏其他信息。你曾經是否故意使用聲音、電或其他噪聲來解決、掩蓋或處理麻煩?你是否對「噪聲都有害」的先入為主觀念有所改變?請分享你的想法和經驗。


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