[科普中国]-起伏噪声

起伏噪声本身是一种频谱很宽的噪声，当它通过通信系统时，会受到通信系统中各种变换的影响，使其频谱特性发生变化。一个通信系统的线性部分可用线性网络来描述，通常具有带通特性。当宽带起伏噪声通过带通特性网络时，输出噪声就变带通型噪声。如果线性网络具有窄带特性，则输出噪声为窄带噪声。如果输入噪声是高斯噪声，则输出噪声就是带通型（或窄带）高斯噪声。在我们研究调制解调问题时，解调器输入端噪声通常都可以表示为窄带高斯噪声。1

简介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、散粒噪声和天电噪声中的宇宙噪声。从它的统计特性看，可认为起伏噪声是一种高斯噪声，且在相当宽的频谱范围内具有平坦的功率谱密度，可称其为白噪声。由于起伏噪声是一个类高斯随机过程，故又称类高斯噪声。

分类起伏噪声包括：热噪声、散弹噪声和宇宙噪声等等。其中热噪声是由导体内自由电子等的无规则热运动造成，散粒噪声是由有源器件电子不均与发射造成的，宇宙噪声是由天体间的电磁辐射造成的。

（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）的电流一—起伏电流（噪声电流）。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，使净电流（或电压）的乎均值为零。

实验结果表明，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

（2）散弹噪声

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电子发射来说明。二极管的电流是由阴极发射的电子飞到阳极而形成的。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。但是，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。2

（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。2

相关概念有些噪声是确知的，例如自激振荡、各种内部谐波干扰等，这类噪声在原理上可消除。另一些噪声是无法预测的，统称为随机噪声。常见随机噪声可分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声三种。

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。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能防止或削弱其对通信的影响。

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化、电路开关噪声、天电干扰中的雷电等。2

以上三种噪声中，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；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，因此必须加以重视。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所