通信原理

通信原理-----噪聲

通信原理

-----噪聲

噪聲，從廣義上講是指通信系統中有用信號以外的有害干擾信號，習慣

上把周期性的、規律的有害信號稱為干擾，而把其他有害的信號稱為噪聲。

噪聲可以籠統的稱為隨機的，不穩定的能量。它分為加性噪聲和乘性噪聲，

乘性噪聲隨著信號的存在而存在，當信號消失后，乘性噪聲也隨之消失。在這

里我們主要討論加性噪聲。

一、信道中加性噪聲的來源，一般可以分為三方面：

1 人為噪聲

人為噪聲來源于無關的其它信號源，例如：外臺信號、開關接觸噪聲、工業

的點火輻射等，這些干擾一般可以消除，例如加強屏蔽、濾波和接地措施等

2 自然噪聲

自然噪聲是指自然界存在的各種電磁波源，例如：閃電、雷擊、太陽黑子、

大氣中的電暴和各種宇宙噪聲等，這些噪聲所占的頻譜范圍很寬，并不像無線

電干擾那樣頻率是固定的，所以這種噪聲難以消除。

3 內部噪聲

內部噪聲是系統設備本身產生的各種噪聲，例如：電阻中自由電子的熱運動

和半導體中載流子的起伏變化等。內部噪聲是由無數個自由電子做不規則運動

形成的，它的波形變化不規則，通常又稱起伏噪聲。在數學上可以用隨即過程

來描述這種噪聲，因此又稱隨機噪聲。

隨機噪聲的分類

常見的隨機噪聲可分為三類:

（1）單頻噪聲

單頻噪聲是一種連續波的干擾（如外臺信號），它可視為一個已調正弦波，

但其幅度、頻率或相位是事先不能預知的。這種噪聲的主要特點是占有極窄的

頻帶，但在頻率軸上的位置可以實測。因此，單頻噪聲并不是在所有通信系統

中都存在。

(2)脈沖噪聲

脈沖噪聲是突發出現的幅度高而持續時間短的離散脈沖。這種噪聲的主要特

點是其突發的脈沖幅度大，但持續時間短，且相鄰突發脈沖之間往往有較長的

安靜時段。從頻譜上看，脈沖噪聲通常有較寬的頻譜（從甚低頻到高頻），但頻

率越高，其頻譜強度就越小。脈沖噪聲主要來自機電交換機和各種電氣干擾，

雷電干擾、電火花干擾、電力線感應等。數據傳輸對脈沖噪聲的容限取決于比

特速率、調制解調方式以及對差錯率的要求。脈沖噪聲由于具有較長的安靜期，

故對模擬話音信號的影響不大,脈沖噪聲雖然對模擬話音信號的影響不大，但是

在數字通信中，它的影響是不容忽視的。一旦出現突發脈沖，由于它的幅度大，

將會導致一連串的誤碼，對通信造成嚴重的危害。CCITT關于租用電話線路的脈

沖噪聲指標是15分鐘內，在門限以上的脈沖數不得超過18個。在數字通信中，

通?？梢酝ㄟ^糾錯編碼技術來減輕這種危害。

(3)起伏噪聲

起伏噪聲是以熱噪聲、散彈噪聲及宇宙噪聲為代表的噪聲。這些噪聲的特點

是，無論在時域內還是在頻域內他們總是普遍存在和不可避免的。起伏噪聲既

不能避免，且始終存在。

二、噪聲分為以下幾種類型：

1.熱噪聲

又稱白噪聲。是由導體中電子的熱震動引起的，它存在于所有電子器件和

傳輸介質中。它是溫度變化的結果，但不受頻率變化的影響。熱噪聲是在所有

頻譜中以相同的形態分布，它是不能夠消除的，由此對通信系統性能構成了上

限。

或稱約翰遜噪聲（Johnson noi）。噪聲的一種。當光電倍增管施加負高

壓，而無光投射光電陰極時，由于光電極極與倍增極的電子熱發射和玻璃外殼

與管座的漏電，導致熱電子由倍增極放大，所引起的暗電流的波動。在記錄儀

器上則出現噪聲。

2.散粒噪聲

散粒噪聲是半導體的載體密度變化引起的噪聲。

3.

4.

5.筒接收到揚聲器產生的白噪聲，然后在每個頻率段進行自動均衡從而得到

一個平坦的響應。這種系統用在專業級的設備、高端的家庭立體聲系統或者一

些高端的汽車收音機上。

5.白噪聲也作為一些隨機數字生成器的基礎使用。

6.白噪聲也可以用于審訊前使人迷惑，并且可能用于感覺剝奪技術的一部

分。上市銷售的白噪聲機器產品有私密性增強器、睡眠輔助器以及掩飾耳鳴。

三、高斯白噪聲

高斯白噪聲，是指噪聲的概率密度函數滿足正態分布統計特性，同時它的功

率譜密度函數是常數的一類噪聲。這里值得注意的是，高斯型白噪聲同時涉及

到噪聲的兩個不同方面，即概率密度函數的正態分布性和功率譜密度函數均勻

性，二者缺一不可。

在通信系統的理論分析中，特別是在分析、計算系統抗噪聲性能時，經常

假定系統中信道噪聲（即前述的起伏噪聲）為高斯型白噪聲。其原因在于

1是高斯型白噪聲可用具體數學表達式表述，便于推導分析和運算；

2.是高斯型白噪聲確實反映了實際信道中的加性噪聲情況，比較真實地代表

了信道噪聲的特性。

窄帶高斯噪聲

通信的目的在于傳遞信息，通信系統的組成往往是為攜帶信息的信號提供一

定帶寬的通道，其作用在于一方面讓信號暢通無阻，同時最大限度的抑制帶外

噪聲。所以實際通信系統往往是一個帶通系統。下面研究帶通情況下的噪聲情

況。

當高斯噪聲通過以為中心角頻率的窄帶系統時，就可形成窄帶高斯噪聲。

遠遠小于其中心頻率的系統，即所謂窄帶系統是指系統的頻帶寬度

的系統。這是符合大多數信道的實際情況的。

窄帶高斯噪聲的特點是頻譜局限在附近很窄的頻率范圍內，其包絡和相

位都在作緩慢隨機變化。如用示波器觀察其波形，它是一個頻率近似為，包絡

和相位隨機變化的正弦波。

因此，窄帶高斯噪聲可表示為

式中，為噪聲的隨機包絡；為噪聲的隨機相位。相對于載波

的變化而言，它們的變化要緩慢的多。

窄帶高斯噪聲的頻譜和波形示意圖：

特點：

（1） 一個均值為零的窄帶高斯噪聲n（t），假定它是平穩隨機過程，

則它的同相分量nI（t）和正交分量nQ（t）也是平穩隨機過程，為高斯分布，

且均值也都為零，方差也相同。

（2） 窄帶高斯噪聲的隨機包絡服從瑞利分布。

（3） 窄帶高斯噪聲的相位服從均勻分布。

應用：

高斯噪聲用來考核一個系統，有限帶寬“白噪聲”做為未來的隨機信號，它

擁有各平權的頻率信號，可以以此用來初步考核系統的整個頻帶。對于接收機

的鏈路來說，噪聲系數是一個很重要的指標，總的噪聲系數在各級的合理分配

可以有效的提高接收機的靈敏度。

五、總結

我們加強對噪聲認識和了解才能更好的減少通信時噪聲的影響，甚至利用噪

聲。這樣才能使通信的可靠性和傳輸效率。