[科普中國]-起伏噪聲

起伏噪聲本身是一種頻譜很寬的噪聲，當(dāng)它通過通信系統(tǒng)時(shí)，會受到通信系統(tǒng)中各種變換的影響，使其頻譜特性發(fā)生變化。一個(gè)通信系統(tǒng)的線性部分可用線性網(wǎng)絡(luò)來描述，通常具有帶通特性。當(dāng)寬帶起伏噪聲通過帶通特性網(wǎng)絡(luò)時(shí)，輸出噪聲就變帶通型噪聲。如果線性網(wǎng)絡(luò)具有窄帶特性，則輸出噪聲為窄帶噪聲。如果輸入噪聲是高斯噪聲，則輸出噪聲就是帶通型（或窄帶）高斯噪聲。在我們研究調(diào)制解調(diào)問題時(shí)，解調(diào)器輸入端噪聲通常都可以表示為窄帶高斯噪聲。1

簡介起伏噪聲是最基本的噪聲來源，是普遍存在和不可避免的，其波形隨時(shí)間作不規(guī)律的隨機(jī)變化，且具有很寬的頻譜，主要包括信道內(nèi)元器件所產(chǎn)生的熱噪聲、散粒噪聲和天電噪聲中的宇宙噪聲。從它的統(tǒng)計(jì)特性看，可認(rèn)為起伏噪聲是一種高斯噪聲，且在相當(dāng)寬的頻譜范圍內(nèi)具有平坦的功率譜密度，可稱其為白噪聲。由于起伏噪聲是一個(gè)類高斯隨機(jī)過程，故又稱類高斯噪聲。

分類起伏噪聲包括：熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲等等。其中熱噪聲是由導(dǎo)體內(nèi)自由電子等的無規(guī)則熱運(yùn)動造成，散粒噪聲是由有源器件電子不均與發(fā)射造成的，宇宙噪聲是由天體間的電磁輻射造成的。

（1）熱噪聲

任何電阻（導(dǎo)體）即使不與電源接通，它的兩端也仍有電壓，這是由于導(dǎo)體中組成傳導(dǎo)電流的自由電子無規(guī)則的熱運(yùn)動而引起的。因?yàn)?，某一瞬間向一個(gè)方向運(yùn)動的電子有可能比向另一個(gè)方向運(yùn)動的電子數(shù)目多，也就是說，在任何時(shí)刻通過導(dǎo)體每個(gè)截面的電子數(shù)目的代數(shù)和是不等于零的，即自由電子的隨機(jī)熱騷動帶來一個(gè)大小和方向都不確定（隨機(jī)）的電流一—起伏電流（噪聲電流）。但在沒有外加電場的情況下，這些起伏電流（或電壓）相互抵消，使凈電流（或電壓）的乎均值為零。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電阻中熱噪聲電壓始終存在，而且，熱噪聲具有極寬的頻譜，熱噪聲電壓在從直流到1013Hz頻率的范圍內(nèi)具有均勻的功率譜密度。2

（2）散彈噪聲

散彈噪聲出現(xiàn)在電子管和半導(dǎo)體器件中。電子管中的散彈噪聲是由陰極表面發(fā)射電子的不均勻性引起的。在半導(dǎo)體二極管和三極管中的散彈噪聲則是由載流子擴(kuò)散的不均勻性與電子空穴對產(chǎn)生和復(fù)合的隨機(jī)性引起的。

散彈噪聲的性質(zhì)可用平板型二極管的熱陰電子發(fā)射來說明。二極管的電流是由陰極發(fā)射的電子飛到陽極而形成的。每個(gè)電子帶有一個(gè)負(fù)電荷，到達(dá)陽極時(shí)產(chǎn)生小的電流脈沖，所有電流脈沖之和產(chǎn)生了二極管的平均陽極電流。但是，陰極在單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的電子數(shù)并不恒定，它隨時(shí)間作不規(guī)則的隨機(jī)變化。電子的發(fā)射是一個(gè)隨機(jī)過程，因而二極管電流中包含著時(shí)變分量。2

（3）宇宙噪聲

宇宙噪聲是指天體輻射波對接收機(jī)形成的噪聲，它在整個(gè)空間的分布是不均勻的，最強(qiáng)的來自銀河系的中部，其強(qiáng)度與季節(jié)、頻率等因素有關(guān)。實(shí)測表明，在20—300MHz的頻率范圍內(nèi)，它的強(qiáng)度與頻率的三次方成反比。因而，當(dāng)工作頻率低于300MHz時(shí)，就要考慮到它的影響。實(shí)踐證明，宇宙噪聲也是服從高斯分布的。在一般的工作頻率范圍內(nèi)，它也具有平坦的功率譜密度。2

相關(guān)概念有些噪聲是確知的，例如自激振蕩、各種內(nèi)部諧波干擾等，這類噪聲在原理上可消除。另一些噪聲是無法預(yù)測的，統(tǒng)稱為隨機(jī)噪聲。常見隨機(jī)噪聲可分為單頻噪聲、脈沖噪聲和起伏噪聲三種。

單頻噪聲

單頻噪聲是一種連續(xù)波的干擾，其頻譜集中在某個(gè)頻率附近較窄的范圍之內(nèi)，主要是指無線電噪聲。干擾的頻率可以通過實(shí)測來確定，因而只要采取適當(dāng)?shù)拇胧┍隳芊乐够蛳魅跗鋵νㄐ诺挠绊憽?/p>

脈沖噪聲

脈沖噪聲的特點(diǎn)是突發(fā)性、持續(xù)時(shí)間短，但每個(gè)突發(fā)的脈沖幅度大，相鄰?fù)话l(fā)脈沖之間有較長的平靜期，如工業(yè)噪聲中的電火化、電路開關(guān)噪聲、天電干擾中的雷電等。2

以上三種噪聲中，單頻噪聲不是所有的信道中都有的，且較易防止；脈沖噪聲雖然對模擬通信的影響不大，但在數(shù)字通信中，一旦突發(fā)噪聲脈沖，由于它的幅度大，會導(dǎo)致一連串誤碼，造成嚴(yán)重的危害，通常采用糾錯編碼技術(shù)來減輕這一危害；起伏噪聲是信道所固有的一種連續(xù)噪聲，既不能避免，又始終起作用，因此必須加以重視。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所