信道加性噪声的处理方法

信道中存在有加性和乘性两大类噪声,其中加性噪声叠加在接收信号上,对通信质量有很大影响,是限制信号传输或检测的重要因素,因此本节主要讨论加性噪声。

加性噪声按来源不同,大致分为人为噪声、自然噪声和通信系统内部噪声三类,其中前两类噪声都是信道外的噪声源作用于信道上所产生的,统称为外部噪声。

(1)人为噪声

人为噪声主要来自各种电气装置所产生的工业干扰和无线电干扰,如别的无线电发射机、电力线、电气开关、电车和电气铁道、电焊机、高频电炉等所产生的电磁干扰或电火花干扰。

(2)自然噪声

自然噪声是指宇宙辐射噪声、天电噪声、大气噪声等自然界存在的各种电磁波源,如闪电、宇宙射线、太阳黑子活动等。

(3)通信系统内部噪声

内部噪声来源于信道内的设备和元器件,如电阻一类的各种导体中自由电子的热运动所产生的热噪声;电子管及晶体管等电子器件中的电子或载流子发射不均匀而产生的散弹效应形成的散弹噪声;电源设备滤波不良而引起的交流声等。

从研究噪声对信号传输影响的角度来看,按噪声的性质进行分类更有利,可分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。

(1)单频噪声

单频噪声是一种连续波的干扰,其频谱集中在某个频率附近较窄的范围之内,主要是指无线电噪声,还有电源的交流声、信道内设备的自激振荡、高频电炉干扰等也在此类之列。不过干扰的频率可以通过实测来确定,因而只要采取适当的措施便可能防止或削弱其对通信的影响。

(2)脉冲噪声

脉冲噪声的特点是突发性、持续时间短,但每个突发的脉冲幅度大,相邻突发脉冲之间有较长的平静期,如工业噪声中的电火花、电路开关噪声、天电干扰中的雷电等。

(3)起伏噪声

起伏噪声是最基本的噪声来源,是普遍存在和不可避免的,其波形随时间作不规律的随机变化,且具有很宽的频谱,主要包括信道内元器件所产生的热噪声、散弹噪声和天电噪声中的宇宙噪声。从它的统计特性来看,可认为起伏噪声是一种高斯噪声,且在相当宽的频率范围内具有平坦的功率密度谱,可称其为白噪声,故而起伏噪声又可表述为高斯白噪声。

应当指出,在以上所列的三种加性噪声中,单频噪声不是所有的信道中都有的,且较易防止;脉冲噪声虽然对模拟通信的影响不大,但在数字通信中,一旦突发噪声脉冲,由于它的幅度大,会导致一连串误码,造成严重的危害,通常采用纠错编码技术来减轻这一危害。(www.xing528.com)

起伏噪声是信道所固有的一种连续噪声,既不能避免,又始终起作用。下面介绍几种主要的起伏噪声产生的物理原因和性质。

1.热噪声

任何电阻(导体)即使不与电源接通,它的两端也仍有电压,这是由于导体中组成传导电流的自由电子无规则的热运动而引起的。因为,某一瞬间向一个方向运动的电子有可能比向另一个方向运动的电子数目多,也就是说,在任何时刻通过导体每个截面的电子数目的代数和是不等于零的,即由自由电子的随机热骚动带来一个大小和方向都不确定(随机)的电流——起伏电流(噪声电流),它们流过导体就产生一个与其电阻成正比的随时间而变的电压——起伏电压(噪声电压)。但在没有外加电场的情况下,这些起伏电流(或电压)相互抵消,使其净电流(或电压)的平均值为零。

通过实验对热噪声的详细研究,并根据热力学原理在理论上的进一步推导,结果表明,电阻中热噪声电压始终存在。而且,热噪声具有极宽的频谱,热噪声电压在从直流到1013Hz频率的范围内具有均匀的功率谱密度。

2.散弹噪声

散弹噪声又称散粒噪声或颗粒噪声,是1918年肖特基研究此类噪声时,根据打在靶子上的子弹的噪声而命名的。

散弹噪声出现在电子管和半导体器件中。电子管中的散弹噪声是由阴极表面发射电子的不均匀性引起的。在半导体二极管和三极管中的散弹噪声则是由载流子扩散的不均匀性与电子空穴对产生和复合的随机性引起的。

散弹噪声的性质可用平板型二极管的热阴极电子发射来说明。二极管的电流是由阴极发射的电子飞越到阳极而形成的。每个电子带有一个负电荷,到达阳极时产生小的电流脉冲,所有电流脉冲之和产生了二极管的平均阳极电流。

然而,阴极在单位时间内所发射的电子数并不恒定,它随时间作不规则的随机变化。电子的发射是一个随机过程,因而二极管电流中包含着时变分量。

3.宇宙噪声

宇宙噪声是指天体辐射波对接收机形成的噪声,它在整个空间的分布是不均匀的,最强的来自银河系的中部,其强度与季节、频率等因素有关。实测表明,在20～300MHz的频率范围内,它的强度与频率的三次方成反比。因而,当工作频率低于300MHz时就要考虑到它的影响。

实践证明,宇宙噪声也是服从高斯分布的。在一般的工作频率范围内,它也具有平坦的功率谱密度。

有必要指出,无论是散弹噪声、热噪声,还是宇宙噪声,其噪声电压(电流)均符合中心极限定理条件,可以断定其瞬时值的分布服从高斯分布。因此,称起伏噪声是高斯噪声。同时,在一般的工作频率范围内,它具有平坦的功率谱密度。均匀分布的噪声可以认为是恒定值,又称为白噪声。信道模型中的噪声源是分散在通信系统各处的噪声的集中表示,在今后的讨论中,将不再详细区分是散弹噪声、热噪声还是宇宙噪声,而集中把它们表示为起伏噪声,并一律把起伏噪声定义为高斯白噪声。

从调制信道的角度来看,到达或集中于解调器输入端的噪声并不是上述起伏噪声本身。它们在到达解调器之前,被接收转换器滤波成为一种带通噪声。当研究调制与解调的问题时,调制信道的加性噪声可直接表述为窄带高斯噪声。