模拟和数字设计中的噪声并非都有害

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(white)噪声、莱斯(Rician)噪声、粉红(pink)噪声(有时也称作闪烁噪声)、1/f、脉冲噪声(impulse noise)、散粒噪声(shot noise)、约翰逊-奈奎斯特(Johnson-Nyquist)噪声、循环平稳噪声(cyclostationary noise)、热噪声和量化噪声(quantization noise)，本文仅列举几种可互相重迭的类型(图1)。

图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.com)

通常，噪声的“进入”路径可分为三大类：

1.嵌入进有用信号中的噪声，例如调变信号上的静电干扰；

2.与有用信号无关但进入系统的噪声，例如由电磁干扰(EMI)/射频干扰(RFI)传导或辐射而产生的噪声；

3.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。”

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”(judo)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”。

怎么创造？我可以想到以下情况：

• 透过将随机噪声“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，有可能可以将模拟数字转换器(ADC)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拟数字转换时间乘以转换周期数。
• 将机械噪声(也称为抖动)添加到诸如伺服阀之类的组件中，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100Hz~1,000Hz之间，可使阀芯始终保持活动。困难处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。
• 有时需要将噪声故意添加到信号信道中，以让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，音频信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。

解决方案是在接收端添加“舒适噪声”(comfort noise)，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建议标准——ETSI TS 100 96，该标准规范了如何产生，以及产生多少这种噪声。

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Johnson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。

用这种方式使用随机噪声的想法并不新颖。SIGSALY(别名：绿色大黄蜂)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78rpm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英吋的机架和四个转盘组成，重达50,000公斤，耗能30kW，并有特殊的空调要求。

图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，用来播放具有真正随机噪声的录音带，噪声用于编码和译码音频信号。(来源：Crypto Museum)

可以将噪声添加到电动车和混合动力车辆中。因为电动车和混合动力车在电动模式下的特征之一是它们在低速行驶时几乎无噪音，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，现在这些车辆都被要求(透过逐步实施，现已被延后)，当以低于30公里/小时或18.6mph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”。

图3：以10mph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：NHTSA)

当然，这里仅列出几个有用噪声的示例。高斯噪声、白噪声、粉红噪声和其他噪声频谱都可以用于掩盖令人不快的声音、遮掩或模糊影像，以及隐藏其他信息。你曾经是否故意使用声音、电或其他噪声来解决、掩盖或处理麻烦？你是否对“噪声都有害”的先入为主观念有所改变？请分享你的想法和经验。

(参考原文：Not all noise is bad in analog and digital designs，by Bill Schweber)

责编：Luffy Liu

本文为《电子工程专辑》2021年5月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅