通信原理 ----噪声

通信原理-----噪声噪声，从广义上讲是指通信系统中有用信号以外的有害干扰信号，习惯上把周期性的、规律的有害信号称为干扰，而把其他有害的信号称为噪声。

噪声可以笼统的称为随机的，不稳定的能量。

它分为加性噪声和乘性噪声，乘性噪声随着信号的存在而存在，当信号消失后，乘性噪声也随之消失。

在这里我们主要讨论加性噪声。

一、信道中加性噪声的来源，一般可以分为三方面：1 人为噪声人为噪声来源于无关的其它信号源，例如：外台信号、开关接触噪声、工业的点火辐射等，这些干扰一般可以消除，例如加强屏蔽、滤波和接地措施等2 自然噪声自然噪声是指自然界存在的各种电磁波源，例如：闪电、雷击、太阳黑子、大气中的电暴和各种宇宙噪声等，这些噪声所占的频谱范围很宽，并不像无线电干扰那样频率是固定的，所以这种噪声难以消除。

3 内部噪声内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声，例如：电阻中自由电子的热运动和半导体中载流子的起伏变化等。

内部噪声是由无数个自由电子做不规则运动形成的，它的波形变化不规则，通常又称起伏噪声。

在数学上可以用随即过程来描述这种噪声，因此又称随机噪声。

随机噪声的分类常见的随机噪声可分为三类:（1）单频噪声单频噪声是一种连续波的干扰（如外台信号），它可视为一个已调正弦波，但其幅度、频率或相位是事先不能预知的。

这种噪声的主要特点是占有极窄的频带，但在频率轴上的位置可以实测。

因此，单频噪声并不是在所有通信系统中都存在。

(2)脉冲噪声脉冲噪声是突发出现的幅度高而持续时间短的离散脉冲。

这种噪声的主要特点是其突发的脉冲幅度大，但持续时间短，且相邻突发脉冲之间往往有较长的安静时段。

从频谱上看，脉冲噪声通常有较宽的频谱（从甚低频到高频），但频率越高，其频谱强度就越小。

脉冲噪声主要来自机电交换机和各种电气干扰，雷电干扰、电火花干扰、电力线感应等。

数据传输对脉冲噪声的容限取决于比特速率、调制解调方式以及对差错率的要求。

脉冲噪声由于具有较长的安静期，故对模拟话音信号的影响不大,脉冲噪声虽然对模拟话音信号的影响不大，但是在数字通信中，它的影响是不容忽视的。

一旦出现突发脉冲，由于它的幅度大，将会导致一连串的误码，对通信造成严重的危害。

CCITT关于租用电话线路的脉冲噪声指标是15分钟内，在门限以上的脉冲数不得超过18个。

在数字通信中，通常可以通过纠错编码技术来减轻这种危害。

(3)起伏噪声起伏噪声是以热噪声、散弹噪声及宇宙噪声为代表的噪声。

这些噪声的特点是，无论在时域内还是在频域内他们总是普遍存在和不可避免的。

起伏噪声既不能避免，且始终存在。

二、噪声分为以下几种类型：1.热噪声又称白噪声。

是由导体中电子的热震动引起的，它存在于所有电子器件和传输介质中。

它是温度变化的结果，但不受频率变化的影响。

热噪声是在所有频谱中以相同的形态分布，它是不能够消除的，由此对通信系统性能构成了上限。

或称约翰逊噪声（Johnson noise）。

噪声的一种。

当光电倍增管施加负高压，而无光投射光电阴极时，由于光电极极与倍增极的电子热发射和玻璃外壳与管座的漏电，导致热电子由倍增极放大，所引起的暗电流的波动。

在记录仪器上则出现噪声。

2.散粒噪声散粒噪声是半导体的载体密度变化引起的噪声。

散粒效应噪声是Schottky于1918年研究此类噪声时,用子弹射入靶子时所产生的噪声命名的。

因此,它又称为散弹噪声或颗粒噪声。

在电化学研究中,当电流流过被测体系时,如果被测体系的局部平衡仍没有被破坏,此时被测体系的散粒效应噪声可以忽略不计。

散粒噪声是由形成电流的载流子的分散性造成的，在大多数半导体器件中，它是主要的噪声来源。

在低频和中频下，散粒噪声与频率无关（白噪声），高频时，散粒噪声谱变得与频率有关。

散粒噪声有白噪声的特性，其电流均方值与电子电荷量q、总的直流电流Idc 和带宽delt(f)成正比关系：I^2=2*q*Idc*delt(f)。

3.闪烁噪声闪烁噪声又称为1/f噪声。

a一般为1、2、4,也有取6或更大值的情况。

与散粒噪声一样。

它同样与流过被测体系的电流有关、与腐蚀电极的局部阴阳极反应有关；所不同的是引起散粒噪声的局部阴阳极反应所产生的能量耗散掉了,且E 外测表现为零或稳定值2 ,而对应于闪烁噪声的E外测则表现为具有各种瞬态过程的变量。

局部腐蚀(如点蚀)能显著地改变腐蚀电极上局部微区的阳极反应电阻值,从而导致E外测的剧烈变化。

因此,当电极发生局部腐蚀时,如果在开路电位下测定腐蚀电极的电化学噪声。

则电极电位会发生负移,之后伴随着电极局部腐蚀部位的修复而正移；如果在恒压情况下测定,则在电流-时间曲线上有一个正的脉冲尖蜂。

三、白噪声在通信系统中，经常碰到的噪声之一就是白噪声。

所谓白噪声是指它的功率谱密度函数在整个频域内是常数，即服从均匀分布。

换句话说，此信号在各个频段上的功率是一样的，由于白光是由各种频率（颜色）的单色光混合而成，因而此信号的这种具有平坦功率谱的性质被称作是“白色的”，此信号也因此被称作白噪声。

相对的，其他不具有这一性质的噪声信号被称为有色噪声。

理想的白噪声具有无限带宽，因而其能量是无限大，这在现实世界是不可能存在的。

实际上，我们常常将有限带宽的平整讯号视为白噪音，因为这让我们在数学分析上更加方便。

然而，白噪声在数学处理上比较方便，因此它是系统分析的有力工具。

一般，只要一个噪声过程所具有的频谱宽度远远大于它所作用系统的带宽，并且在该带宽中其频谱密度基本上可以作为常数来考虑，就可以把它作为白噪声来处理。

例如，热噪声和散弹噪声在很宽的频率范围内具有均匀的功率谱密度，通常可以认为它们是白噪声。

定义自相关函数在任意两个不同时刻上的随机取值都是不相关的。

白噪声的功率谱密度及其自相关函数，如图所示。

应用虽然白噪声产生许多危害，但我们同样可以对它进行一些应用。

1.白噪声的应用领域之一是建筑声学，为了减弱内部空间中分散人注意力并且不希望出现的噪声（如人的交谈)，使用持续的低强度噪声作为背景声音。

一些紧急车辆的警报器也使用白噪声，因为白噪声能够穿过如城市中交通噪声这样的背景噪声并且不会引起反射，所以更加容易引起人们的注意。

2.在电子音乐中也有白噪声的应用，它被直接或者作为滤波器的输入信号以产生其它类型的噪声信号，尤其是在音频合成中，经常用来重现类似于铙钹这样在频域有很高噪声成分的打击乐器。

3.白噪声也用来产生冲击响应。

为了在一个演出地点保证音乐会或者其它演出的均衡效果，从P A 系统发出一个瞬间的白噪声或者粉红噪声，并且在不同的地方监测噪声信号，这样工程师就能够建筑物的声学效应能够自动地放大或者削减某些频率，从而就可以调整总体的均衡效果以得到一个平衡的和声。

4.白噪声可以用于放大器或者电子滤波器的频率响应测试，有时它与响应平坦的话筒或和自动均衡器一起使用。

这个设计的思路是系统会产生白噪声，话筒接收到扬声器产生的白噪声，然后在每个频率段进行自动均衡从而得到一个平坦的响应。

这种系统用在专业级的设备、高端的家庭立体声系统或者一些高端的汽车收音机上。

5.白噪声也作为一些随机数字生成器的基础使用。

6.白噪声也可以用于审讯前使人迷惑，并且可能用于感觉剥夺技术的一部分。

上市销售的白噪声机器产品有私密性增强器、睡眠辅助器以及掩饰耳鸣。

四、高斯白噪声高斯白噪声，是指噪声的概率密度函数满足正态分布统计特性，同时它的功率谱密度函数是常数的一类噪声。

这里值得注意的是，高斯型白噪声同时涉及到噪声的两个不同方面，即概率密度函数的正态分布性和功率谱密度函数均匀性，二者缺一不可。

在通信系统的理论分析中，特别是在分析、计算系统抗噪声性能时，经常假定系统中信道噪声（即前述的起伏噪声）为高斯型白噪声。

其原因在于1是高斯型白噪声可用具体数学表达式表述，便于推导分析和运算；2.是高斯型白噪声确实反映了实际信道中的加性噪声情况，比较真实地代表了信道噪声的特性。

窄带高斯噪声通信的目的在于传递信息，通信系统的组成往往是为携带信息的信号提供一定带宽的通道，其作用在于一方面让信号畅通无阻，同时最大限度的抑制带外噪声。

所以实际通信系统往往是一个带通系统。

下面研究带通情况下的噪声情况。

当高斯噪声通过以为中心角频率的窄带系统时，就可形成窄带高斯噪声。

所谓窄带系统是指系统的频带宽度远远小于其中心频率的系统，即的系统。

这是符合大多数信道的实际情况的。

窄带高斯噪声的特点是频谱局限在附近很窄的频率范围内，其包络和相位都在作缓慢随机变化。

如用示波器观察其波形，它是一个频率近似为，包络和相位随机变化的正弦波。

因此，窄带高斯噪声可表示为式中，为噪声的随机包络；为噪声的随机相位。

相对于载波的变化而言，它们的变化要缓慢的多。

窄带高斯噪声的频谱和波形示意图：特点：（1）一个均值为零的窄带高斯噪声n（t），假定它是平稳随机过程，则它的同相分量nI（t）和正交分量nQ（t）也是平稳随机过程，为高斯分布，且均值也都为零，方差也相同。

（2）窄带高斯噪声的随机包络服从瑞利分布。

（3）窄带高斯噪声的相位服从均匀分布。

应用：高斯噪声用来考核一个系统，有限带宽“白噪声”做为未来的随机信号，它拥有各平权的频率信号，可以以此用来初步考核系统的整个频带。

对于接收机的链路来说，噪声系数是一个很重要的指标，总的噪声系数在各级的合理分配可以有效的提高接收机的灵敏度。

五、总结我们加强对噪声认识和了解才能更好的减少通信时噪声的影响，甚至利用噪声。

这样才能使通信的可靠性和传输效率。