有效实用信号与噪声的区别

我们把噪声的来源分为内部和外部两种，由于实验室的测试条件通常都十分优越，所以在这种条件下测试的信噪比指标实际是设备内部噪声的反应，内部噪声主要是由于电路设计、制造工艺等因素，由设备自身产生的，而外部噪声是由设备所在的电子环境和物理化学环境（自然环境）所造成的，外部噪声是不可能反映在信噪比指标中的。这一点通常会被很多人所忽略，经常听到有人说：这唱机的信噪比指标不是挺高的吗？怎么听起来噪音这么大，骗人的吧……。这就是没有搞清楚信噪比指标含义所造成的误解。 外部噪声通常被称为“干扰”，这种干扰可能是电磁干扰，也可能是机械振动干扰，也可能来自温度变化的干扰……总之，都不是器材自身产生的。于是此时另一个不太起眼的指标凸现出了它的意义－电磁兼容性。 电磁兼容性有两个层次的含义，一是设备在运行时不会对其它设备产生干扰，二是耐受干扰的能力强，在一定的外界干扰下仍能正常工作。第一层意思容易理解，而第二层意思对于音响设备来说，还有更进一步的含义，那就是如何定义“正常工作状态”。这个正常工作不应该仅仅是“出声就好”，还应该是保证一定的性能指标，这其中就包括有信噪比。也就是所，一个电磁兼容性能优良的设备器材，在一定的外界干扰条件下，其信噪比指标不应该有明显的劣化。 实际上，很多音响产品在电路设计中都有“电磁兼容”的影子，比如在电源输入端设计滤波器、压敏电阻，外壳采用金属材料，内部信号线采用屏蔽线等等，实践证明，这些措施对于抑制干扰有很大的作用。
噪声的种类、来源及电磁兼容
在一个音响系统中，由于信号是串联的，因此一件设备的噪声会进入下面的设备中被放大，所以系统最后的噪声是系统中所有设备噪声的累加。但是，当我们了解了系统中每一件器材的信噪比指标后，是否就可以确定整个系统的信噪比指标了呢？不，远远不能。这就要从我们对噪声有了一些了解，那么我们如何来分辨这么多种类的噪声呢？当然是靠听了。我这里总结一下我们经常听到的噪声以及它们的来源： 稳定的咝咝声或沙沙声：这是放大器电路元器件产生的固有噪声，一般非常轻微而且稳定，不会随着音量调节而变化。除了改变放大器的电路设计，这种噪声无法消除。 嗡声：这是通常所说的“交流声”，来源非常复杂，器材工艺设计的不合理、连接线缆的屏蔽能力等都会产生这样的声音。有时，供电电压过低导致内部电路工作不正常也会产生交流声。 噼啪声：所谓的放电声，器材内部积累灰尘过多是产生这种声音的主要原因。有时元器件超过使用寿命而失效也会产生这种声音。遇上这种情况应该立即修理检查，否则有可能产生更大的问题。 流水声：这是一种高频自激的现象，是电路设计不良造成的，属于质量问题。 啸叫声、汽船声：典型的高频、低频自激，应该马上关闭你的系统电源，检查器材之间的连接是否有误。 偶尔的滋滋声：交流供电线路的串扰。当交流电的供电质量非常糟糕的时候，也会产生这种现象。 噗噗声：内部元器件出现故障的现象。 广播声：电路设计不良，放大器的开环频响很差，非线性失真严重，并且没有进行适当的处理就会产生这种现象。这种现象往往是设计者片面追逐过宽的闭环频响，而放大器电路本身开环性能不良产生矛盾造成的。这种情况很多时候会引发高频自激，严重时会导致喇叭或者耳机烧毁。
小波分析方法是一种窗口大小即窗口面积固定、但窗口的形状可变、时间窗和频率窗都可改变的时频局部化分析方法即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，很适于探测正常信号中突变信号的成分。它可以用长的时间间隔来获得更加精细的低频率的信号信息，用短的时间间隔来获得高频率的信号信息。在实际的工程应用中，所分析的信号可能包含许多尖峰或突变部分，并且噪声也不是平稳的白噪声。对这种信号的降噪处理，用传统的傅立叶变换分析，显得无能为力，因为它不能给出信号在某个时间点上的变化情况。小波分析作为一种全新的信号处理方法，它将信号中各种不同的频率成分分解到互不重叠的频带上，为信号滤波、信噪分离和特征提取提供了有效途径。有些噪声的频谱是分布在整个频域内的，小波理论的发展和成熟为非平稳信号的分析提供了有利的工具。运用小波分析进行信号的降噪处理是小波分析的一个重要应用方面赞同1| 评论
噪声的三种来源
噪声的来源很复杂，我们可以把它们大致归结为三种，第一种是元器件产生的固有噪声，电路中几乎所有的元器件在工作时都会产生一定的噪声，晶体管、电阻、电容，这种噪声是连续的，基本上是固定不变的，并且频谱分布很广泛，这种噪声除了改进元器件的材料和生产工艺外，几乎没有任何办法消除，也就是说，这种噪声几乎可以不用实验，在图纸上进行计算就可以推算出来。好在现在很多优质元器件的固有噪声都很小，在设计电路时选择优质元器件就可以把这种噪声压制到非常小的水平，小到我们根本不会听见。 第二种噪声来源于电路本身的设计失误或者安装工艺上的缺陷，电路设计失误往往会导致电路的轻微自激（一种自由振荡状态），这种自激一般在我们可以听到的声音范围之外，但是在某些特定条件下它们会对声音的中高频产生断续的影响，从而产生噪声。安装工艺失误就稍微复杂一些，比如接插件接触不良，接触表面形成二极管效应或者接触电阻随温度、振动等影响发生变化而导致信号传输特性变化，产生噪声。还有元器件排布上的失误，将高热的元器件排布在对温度敏感的元器件旁边，或者将一些有轻微振动的元器件放在对振动敏感的元器件旁边，或者没有足够的避震措施……等等这些，都会产生一定的噪声。这些噪声可以说都是人为造成的，对于经验丰富的电子设计师来说，这些噪声都是可以避免或者大大减轻的。 第三种噪声则是非常广泛的，也是经常被提起的干扰噪声。这种噪声来源很复杂，主要包括几个方面： 空间辐射干扰噪声：任何导体通过交变电流的时候都会引起周围电场强度的变化，这种变化就是电场辐射，同样，像变压器这样的磁体也会引起周围磁场强度的交替变化。我们知道，交变电场和磁场中的闭合导体会产生和电场磁场变化频率相同的交变电流，也叫感应电流。音响设备中所有的元器件、导线、电路板上的铜箔都是电导体，因此不可避免地会产生感应电流。这种感应电流叠加在信号中就会产生噪声。 线路串扰噪声：某些电气设备会产生干扰信号，这些干扰信号通过电源、信号线等线路直接窜入音响设备中。 传输噪声：这种噪声是信号在传输过程中由于传输介质的问题产生的，比如接插件的接触不良、信号线材质不佳、地电流串扰等等。其中，地电流串扰是经常容易被忽视的问题。由于民用音响器材大多采用非平衡传输方式，信号线的外屏蔽层实际上也参与的信号的传输，通常屏蔽层与音响器材的“地”连接，大多数音响器材的地是和设备的外壳相连的，并且和住宅供电线路提供的“大地”相连接。在正常情况下，住宅供电的大地是非常理想的，它使得所有连接线路的“地”都是平等的。但是，一旦这个接地出现故障，甚至某些不负责任的电力公司将这个地与市电的“零线”连接，就会出现问题了。此时消耗功率大的器材的“地”电压比别的器材要“高一点”，比且这个高低 的差别还会随着消耗功率的大小发生变化，我们知道，一般的音频信号线中传输的信号是很微弱的，这变化则足以使得信号线中传输的信号产生很大的变化。这变化除了产生失真外，也包含了一定的噪声。并且，由于接地不良，空间辐射对于信号传输的影响也会加剧。
信噪比简介
信噪比，英文名称叫做SNR或S/N（SIGNAL-NOICE RATE)，是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号，噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号（或信息），并且该种信号并不随原信号的变化而变化。同样是“原信号不存在”还有一种东西叫“失真”，失真和噪声实际上有一定关系，二者的不同是失真是有规律的，而噪声则是无规律的，这个以后再讲。 信噪比的计量单位是dB，其计算方法是10LG(PS/PN)，其中Ps和Pn分别代表信号和噪声的有效功率，也可以换算成电压幅值的比率关系：20LG(VS/VN)，Vs和Vn分别代表信号和噪声电压的“有效值”。在音频放大器中，我们希望的是该放大器除了放大信号外，不应该添加任何其它额外的东西。因此，信噪比应该越高越好。
经典的信号去噪方法主要是基于频域的处理方法，以滤波器的形式去噪。它是把有用信号和噪声信号在频域进行分离的方法去噪。但这种方法要在信号频谱和噪声频谱没有重叠的前提下，才能把信号和噪声完全分离开来。但实际情况信号频谱和噪声频谱往往是重叠的，因为无论是高斯白噪声还是脉冲干扰，他们的频谱几乎都是分布在整个频域内。如果要噪声平滑效果好，必然会引起信号的模糊，轮廓不清，要使信号的轮廓清晰，就必然噪声的平滑效果不好。在使用时必须权衡得失，在二者之间做出合理的选择。用低通滤波器进行平滑处理可以去除噪声、伪轮廓等寄生效应，但是由于低通滤波器对噪声等寄生成分去除的同时，也去除了有用的高频成分，即进行噪声平滑的同时，也必定平滑了非平稳信号的突变点。因此这样去噪处理是以牺牲清晰度为代价而换取的。
信噪比是音响界公认的衡量音响器材质量水准的一个重要指标，几乎所有的电声器材都会标注这个指标，没有这个指标的器材，要么是一些特制的专用器材设备，要么就是不正规的产品。信噪比、失真率、频率响应这三个指标是音响器材的“基础指标”或“基本特性”，我们在评价一件音响器材或者一个系统水准之前，必须先要考核这三项指标，这三项指标中的任何一项不合格，都说明该器材或者系统存在着比较重大的缺陷。信噪比作为设备、系统的基础指标之一，必须得到应有的高度重视。
信号源送出携带着我们希望传送的有用信息，然而在信号变化及传输过程中，由于噪声及干扰的叠加，使信号的辨认产生困难，要复原携带的有用信号，必须去除信号中叠加的噪声和干扰成分，如果噪声的频率高于或低于有效信号，通常采用滤波方法去除噪声，也可以通过使信号平滑的方法抑制干扰带来的毛刺。滤波方法是一种频域处理方法，在分析信号的频率特性时，信号变化率小的部分对应低频分量，变化率大的部分则对应高频分量。用滤波的方法滤除其高频部分就能去掉噪声，使信号得到平滑。
信噪比的测量及计算
通过计算公式我们发现，信噪比不是一个固定的数值，它应该随着输入信号的变化而变化，如果噪声固定的话，显然输入信号的幅度越高信噪比就越高。显然，这种变化着的参数是不能用来作为一个衡量标准的，要想让它成为一种衡量标准，就必须使它成为一个定值。于是，作为器材设备的一个参数，信噪比被定义为了“在设备最大不失真输出功率下信号与噪声的比率”，这样，所有设备的信噪比指标的测量方式就被统一起来，大家可以在同一种测量条件下进行比较了。信噪比通常不是直接进行测量的，而是通过测量噪声信号的幅度换算出来的，通常的方法是：给放大器一个标准信号，通常是0.775Vrms或2Vp-p@1kHz,调整放大器的放大倍数使其达到最大不失真输出功率或幅度（失真的范围由厂家决定,通常是10%，也有1%），记下此时放大器的输出幅Vs，然后撤除输入信号，测量此时出现在输出端的噪声电压，记为Vn，再根据SNR=20LG(Vn/Vs)就可以计算出信噪比了。Ps和Pn分别是信号和噪声的有效功率，根据SNR=10LG（Ps/Pn）也可以计算出信号比。 这样的测量方式完全可以体现设备的性能了。但是，实践中发现，这种测量方式很多时候会出现误差，某些信噪比测量指标高的放大器，实际听起来噪声比指标低的放大器还要大。经过研究发现，这不是测量方法本身的错误，而是这种测量方法没有考虑到人的耳朵对于不同频率的声音敏感性是不同的，同样多的噪声，如果都是集中在几百到几千Hz，和集中在20KHz以上是完全不同的效果，后者我们可能根本就察觉不到。因此就引入了一个“权”的概念。这是一个统计学上的概念，它的核心思想是，在进行统计的时候，应该将有效的、有用的数据进行保留，而无效和无用的数据应该尽量排除，使得统计结果接近最准确，每个统计数据都由一个“权”，“权”越高越有用，“权”越低就越无用，毫无用处的数据的“权”为0。于是，经过一系列测试和研究，科学家们找到了一条“通用等响度曲线”，这个曲线代表的是人耳对于不同频率的声音的灵敏度的差异，将这个曲线引入信噪比计算方法后，信噪比指标就和人耳感受的结果更为接近了。噪声中对人耳影响最大的频段“权”最高，而人耳根本听不到的频段的“权”为0。这种计算方式被称为“A计权”，已经称为音响行业中普遍采用的计算方式。