從正式和非正式的教育開始，直至幾乎所有的工程項(xiàng)目，工程師們都認(rèn)識(shí)到噪聲一直是個(gè)潛在問題，即使對于數(shù)字設(shè)計(jì)也是如此。噪聲有許多類型和特征，其中包括高斯（Gaussian）噪聲、白（white）噪聲、萊斯（Rician）噪聲、粉紅（pink）噪聲（有時(shí)也稱作閃爍噪聲）、1/f、脈沖噪聲（impulse noise）、散粒噪聲（shot noise）、約翰遜-奈奎斯特（Johnson-Nyquist）噪聲、循環(huán)平穩(wěn)噪聲（cyclostationarynoise）、熱噪聲和量化噪聲（quantization noise），本文僅列舉幾種可互相重疊的類型（圖1）。

圖1：白噪聲是很多種噪聲中的一種，因?yàn)樗谧匀唤缰袕V泛存在，并且也是最容易分析和理解的噪聲之一，所以非常受關(guān)注。

通常，噪聲的“進(jìn)入”路徑可分為三大類：

1.嵌入進(jìn)有用信號(hào)中的噪聲，例如調(diào)變信號(hào)上的靜電干擾;

2.與有用信號(hào)無關(guān)但進(jìn)入系統(tǒng)的噪聲，例如由電磁干擾（EMI）/射頻干擾（RFI）傳導(dǎo)或輻射而產(chǎn)生的噪聲;

3.電路及其組件內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲。

噪聲已成為許多設(shè)計(jì)中的限制因素。它會(huì)降低訊噪比（SNR）并增加誤碼率（BER），這可能會(huì)迫使傳輸重新進(jìn)行，以及限制模擬頻道或降低系統(tǒng)的靈敏度。正如一位項(xiàng)目經(jīng)理曾經(jīng)對我打趣說：“如果不用處理噪聲，我們的難題能少一半。”

從“噪聲是個(gè)麻煩”這一重要且反復(fù)存在的教訓(xùn)后果來看，很難想象噪聲有一天會(huì)成為一件好事。但是，現(xiàn)實(shí)情況是，在某種“柔道式”（judo）的操作方式中，噪聲可能是有益的，可以利用噪聲的“缺點(diǎn)”來創(chuàng)造“好處”。

怎么創(chuàng)造？我可以想到以下情況：

透過將隨機(jī)噪聲“抖動(dòng)”添加到數(shù)字化信號(hào)中，執(zhí)行多次模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，然后對結(jié)果進(jìn)行一些基本的統(tǒng)計(jì)分析，有可能可以將模擬數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）的分辨率提高到其物理額定值之外。當(dāng)然，會(huì)存在一些局限性和權(quán)衡問題，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換期間數(shù)字化訊號(hào)必須是穩(wěn)定的。并且，進(jìn)行更高分辨率轉(zhuǎn)換的時(shí)間等于基本模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)間乘以轉(zhuǎn)換周期數(shù)。

將機(jī)械噪聲（也稱為抖動(dòng)）添加到諸如伺服閥之類的組件中，通常可以防止閥芯的啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)中靜摩擦的阻礙。這個(gè)抖動(dòng)是一個(gè)添加到閥控訊號(hào)中的低振幅訊號(hào)，通常在100Hz~1，000Hz之間，可使閥芯始終保持活動(dòng)。困難處是添加剛剛好的抖動(dòng)來防止靜摩擦，同時(shí)又不會(huì)因?yàn)樘砑拥锰嘁灾劣谑归y嚴(yán)重錯(cuò)位，從而導(dǎo)致對流體流量失去控制。

有時(shí)需要將噪聲故意添加到信號(hào)通道中，以讓用戶知道系統(tǒng)已打開并且正在工作，而非連接中斷。當(dāng)1990年代數(shù)字蜂巢GSM標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以取代已有的模擬蜂巢系統(tǒng)時(shí)，讓用戶感到不安的是，當(dāng)沒有人講話時(shí)，音頻通道有時(shí)會(huì)是完全安靜的，于是他們真的會(huì)掛斷電話再打一次。

解決方案是在接收端添加舒適噪聲（comfort noise），這是一種合成背景噪聲，用來彌補(bǔ)信號(hào)傳輸中的“無聲”。出于相同的原因，一些IP語音（VoIP）鏈路中也使用了舒適噪聲。此舒適噪聲以較低但可以聽見的音量水平呈現(xiàn)，音量通常根據(jù)接收訊號(hào)的平均音量而調(diào)整，從而最大程度地減少刺耳的音頻廣播。為此甚至還存在一個(gè)建議標(biāo)準(zhǔn)——ETSI TS 100 96，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了如何產(chǎn)生，以及產(chǎn)生多少這種噪聲。

噪聲也可以用作加密系統(tǒng)中的編碼密鑰，只要發(fā)送方和接收方可以訪問相同的隨機(jī)序列和時(shí)序。這種加密噪聲可以是相對容易創(chuàng)建和重建的偽隨機(jī)序列，也可以是使用諸如Johnson噪聲、電子運(yùn)動(dòng)、光子的量子性質(zhì)，甚至核衰變等現(xiàn)象的真正隨機(jī)序列。

用這種方式使用隨機(jī)噪聲的想法并不新穎。SIGSALY（別名：綠色大黃蜂）系統(tǒng)在第二次世界大戰(zhàn)中被用于干擾羅斯福總統(tǒng)和丘吉爾首相之間的通話。噪聲源是一個(gè)78rpm的錄音，伴隨真空管隨機(jī)噪聲，僅有兩個(gè)副本，通話連接的兩端各一個(gè)，而連接兩端的電唱機(jī)轉(zhuǎn)盤同步是個(gè)大難題（圖2）。關(guān)于SIGSALY有一個(gè)非常詳細(xì)的討論，但我們很難將它涉及到的硬件都描繪出來。每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都由30多個(gè)全高19英寸的機(jī)架和四個(gè)轉(zhuǎn)盤組成，重達(dá)50，000公斤，耗能30kW，并有特殊的空調(diào)要求。

在第二次世界大戰(zhàn)中，龐大的超級(jí)機(jī)密SIGSALY加擾器系統(tǒng)中使用的兩個(gè)轉(zhuǎn)盤，用來播放具有真正隨機(jī)噪聲的錄音帶，噪聲用于編碼和解碼音頻訊號(hào)。

可以將噪聲添加到電動(dòng)車和混合動(dòng)力車輛中。因?yàn)殡妱?dòng)車和混合動(dòng)力車在電動(dòng)模式下的特征之一是它們在低速行駛時(shí)幾乎無噪音，這可能會(huì)使周圍的行人或騎自行車的人，尤其是有視力障礙的人感到不安，甚至導(dǎo)致危險(xiǎn)。于是，在美國和全球，現(xiàn)在這些車輛都被要求（通過逐步實(shí)施，現(xiàn)已被延后），當(dāng)以低于30公里/小時(shí)或18.6mph的速度行駛時(shí)，發(fā)出指定響度和頻譜的噪聲（圖3）。還有一份由美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）提供的長達(dá)137頁的環(huán)境評估報(bào)告。也許憤世嫉俗的人會(huì)說，制造非常安靜的車輛就是吃力不討好。

圖3：以10mph速度行駛的車輛發(fā)出的噪聲，曲線是A加權(quán)的1/3八度音階示例。

當(dāng)然，這里僅列出幾個(gè)有用噪聲的示例。高斯噪聲、白色噪聲、粉紅噪聲和其他噪聲頻譜都可以用于掩蓋令人不快的聲音、遮掩或模糊影像，以及隱藏其他信息。你曾經(jīng)是否故意使用聲音、電或其他噪聲來解決、掩蓋或處理麻煩？你是否對“噪聲都有害”的先入為主觀念有所改變？請分享你的想法和經(jīng)驗(yàn)。
編輯：lyn