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模拟和数字设计中的噪声都有害吗?

2021-05-18 Bill Schweber 阅读:
噪声有许多类型和特征,其中包括高斯 (Gaussian) 噪声、白噪声,莱斯 (Rician) 噪声、粉噪声、1/f、脉冲噪声、散粒噪声、约翰逊-奈奎斯特 (Johnson-Nyquist) 噪声、循环平稳噪声、热噪声和量化噪声。工程师们普遍认为噪声是设计中的潜在问题,事实上也的确如此。很难想象噪声有一天会成为一件好事。

从正式和非正式的教育开始,直至几乎所有的工程项目,工程师们都认识到噪声一直是个潜在问题,即使对于数字设计也是如此。噪声有许多类型和特征,其中包括高斯 (Gaussian) 噪声、白噪声,莱斯 (Rician) 噪声、粉噪声、1 / f、脉冲噪声、散粒噪声、约翰逊-奈奎斯特 (Johnson-Nyquist) 噪声、循环平稳噪声​​、热噪声和量化噪声。这里仅列举几种可互相重叠的类型(图1)。im4ednc

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1:白噪声是很多种噪声中的一种,因为它在自然界中广泛存在,并且也是最容易分析和理解的噪声之一,所以非常受关注。(来源:www.real-statistics.comim4ednc

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通常,噪声的“引入”路径可分为三大类:im4ednc

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  • 嵌入进有用信号中的噪声,例如调制信号上的静电干扰。
  • 与有用信号无关但进入系统的噪声,例如由EMI / RFI传导或辐射而产生的噪声。
  • 电路及其组件内部产生的噪声。

噪声已成为许多设计中的限制因素。它会降低信噪比(SNR)并增加误码率(BER),这可能会迫使传输重新进行,以及限制模拟通道或降低系统的灵敏度。正如一位项目经理曾经对我打趣说:“如果不用处理噪声,我们的难题能少一半。”im4ednc

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从“噪声是个麻烦”这一重要且反复存在的教训后果来看,很难想象噪声有一天会成为一件好事。但是,现实情况是,在某种“柔道式”的操作方式中,噪声可能是有益的,可以利用噪声的“缺点”来创造“好处”。im4ednc

怎么创造?我可以想到以下情况:im4ednc

通过将随机噪声“抖动”添加到数字化信号中,执行多次模拟/数字转换,然后对结果进行一些基本的统计分析,有可能可以将模数转换器的分辨率提高到其物理额定值之外。当然,会存在一些局限性和权衡问题,因为在转换期间数字化信号必须是稳定的。并且,进行更高分辨率转换的时间等于基本模数转换时间乘以转换周期数。 im4ednc

将机械噪声(也称为抖动)添加到诸如伺服阀之类的器件中,通常可以防止阀芯的启动运动中静摩擦的阻碍。这个抖动是一个添加到阀控信号中的低振幅信号,通常在100 Hz至1000 Hz之间,可使阀芯始终保持活动。难点是添加刚刚好的抖动来防止静摩擦,同时又不会因为添加得太多以至于使阀严重错位,从而导致对流体流量失去控制。im4ednc

有时需要将噪声故意添加到信号通道中,以使用户知道系统已打开并且正在工作,而非连接中断。当1990年代数字蜂窝GSM标准发布以取代已有的模拟蜂窝系统时,让用户感到不安的是,当没有人讲话时,音频通道有时会是完全安静的,于是他们真的会挂断电话再打一次。im4ednc

解决方案是在接收端添加“舒适噪声”,这是一种合成背景噪声,用来弥补信号传输中的“无声”。出于相同的原因,一些IP语音(VoIP)链路中也使用了舒适噪声。此舒适噪声以较低但可以听见的音量水平呈现,音量通常根据接收信号的平均音量而调整,从而最大程度地减少刺耳的音频传输。为此甚至还存在一个推荐标准 - ETSI TS 100 96,该标准规范了如何产生以及产生多少这种噪声。im4ednc

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噪声也可以用作加密系统中的编码密钥,只要发送方和接收方可以访问相同的随机序列和时序。这种加密噪声可以是相对容易创建和重建的伪随机序列,也可以是使用诸如约翰逊噪声、电子运动、光子的量子性质,甚至核衰变等现象的真正随机序列。im4ednc

用这种方式使用随机噪声的想法并不新颖。 SIGSALY系统在第二次世界大战中被用于干扰罗斯福总统和丘吉尔首相之间的通话。噪声源是一个78 rpm的录音,伴随真空管随机噪声,仅有两个副本,通话连接的两端各一个。而连接两端的电唱机转盘同步是个大难题(图2)。关于SIGSALY有着一个非常详细的讨论,但我们很难将它涉及到的硬件都描绘出来。每个终端节点都由30多个全高19英寸的机架和四个转盘组成。重达50,000公斤,耗能30千瓦,并有特殊的空调要求。im4ednc

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2:在第二次世界大战中,庞大的超级机密SIGSALY加扰器系统中使用的两个转盘,用来播放带有真正随机噪声的录音带,噪声用于编码和解码音频信号。(来源:Crypto Museumim4ednc

可以将噪声添加到电动和混合动力车辆中。因为电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)在电动模式下的特征之一是它们在低速行驶时几乎无噪声。这可能会使周围的行人或骑自行车的人,尤其是有视力障碍的人感到不安,甚至导致危险。于是,在美国和全球范围内,现在这些汽车都被要求(通过逐步实施,现已被推迟),当以低于30 公里/小时或18.6 mph的速度行驶时,发出指定响度和频谱的噪声(图3)。还有一份由美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)提供的长达137页的环境评估报告。也许愤世嫉俗的人会说,制造非常安静的车辆就是“吃力不讨好”。im4ednc

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3:显示出以10 mph速度行驶的车辆发出的噪声,曲线是A加权的1/3八度音阶示例。(来源:NHTSAim4ednc

当然,这里仅列出几个有用噪声的示例。高斯噪声、白噪声、粉噪声和其它噪声频谱都可以用于掩盖令人不快的声音,遮掩或模糊图像,以及隐藏其它信息。您曾经是否故意使用声音、电或其它噪声来解决、掩盖或处理麻烦?您是否对“噪声都是有害的”先入观念有所改变?请分享你的想法和经验。im4ednc

本文转载自EDN姊妹网站《电子工程专辑》,原文链接:Not all noise is bad in analog and digital designsim4ednc

责编:Jenny Liaoim4ednc

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本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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