广告

模拟和数字设计中的噪声并非都有害

时间:2021-05-14 作者:Bill Schweber 阅读:
从正式和非正式的教育开始,直至几乎所有的工程项目,工程师们都认识到噪声一直是个潜在问题,即使对于数字设计也是如此。噪声已成为许多设计中的限制因素,但很难想象噪声有一天会成为一件好事……
广告
EETC https://www.eet-china.com

从正式和非正式的教育开始,直至几乎所有的工程项目,工程师们都认识到噪声一直是个潜在问题,即使对于数字设计也是如此。噪声有许多类型和特征,其中包括高斯(Gaussian)噪声、白(white)噪声、莱斯(Rician)噪声、粉红(pink)噪声(有时也称作闪烁噪声)、1/f、脉冲噪声(impulse noise)、散粒噪声(shot noise)、约翰逊-奈奎斯特(Johnson-Nyquist)噪声、循环平稳噪声(cyclostationary noise)、热噪声和量化噪声(quantization noise),本文仅列举几种可互相重迭的类型(图1)。

 

1:白噪声是很多种噪声中的一种,因为它在自然界中广泛存在,并且也是最容易分析和理解的噪声之一,所以非常受关注。(来源:www.real-statistics.com)

通常,噪声的“进入”路径可分为三大类:

1.嵌入进有用信号中的噪声,例如调变信号上的静电干扰;

2.与有用信号无关但进入系统的噪声,例如由电磁干扰(EMI)/射频干扰(RFI)传导或辐射而产生的噪声;

3.电路及其组件内部产生的噪声。

噪声已成为许多设计中的限制因素。它会降低信噪比(SNR)并增加误码率(BER),这可能会迫使传输重新进行,以及限制模拟通道或降低系统的灵敏度。正如一位项目经理曾经对我打趣说:“如果不用处理噪声,我们的难题能少一半。”

从“噪声是个麻烦”这一重要且反复存在的教训后果来看,很难想象噪声有一天会成为一件好事。但是,现实情况是,在某种“柔道式”(judo)的操作方式中,噪声可能是有益的,可以利用噪声的“缺点”来创造“好处”。

怎么创造?我可以想到以下情况:

  • 透过将随机噪声“抖动”添加到数字化信号中,执行多次模拟/数字转换,然后对结果进行一些基本的统计分析,有可能可以将模拟数字转换器(ADC)的分辨率提高到其物理额定值之外。当然,会存在一些局限性和权衡问题,因为在转换期间数字化信号必须是稳定的。并且,进行更高分辨率转换的时间等于基本模拟数字转换时间乘以转换周期数。
  • 将机械噪声(也称为抖动)添加到诸如伺服阀之类的组件中,通常可以防止阀芯的启动运动中静摩擦的阻碍。这个抖动是一个添加到阀控信号中的低振幅信号,通常在100Hz~1,000Hz之间,可使阀芯始终保持活动。困难处是添加刚刚好的抖动来防止静摩擦,同时又不会因为添加得太多以至于使阀严重错位,从而导致对流体流量失去控制。
  • 有时需要将噪声故意添加到信号信道中,以让用户知道系统已打开并且正在工作,而非连接中断。当1990年代数字蜂窝GSM标准发布以取代已有的模拟蜂窝系统时,让用户感到不安的是,当没有人讲话时,音频信道有时会是完全安静的,于是他们真的会挂断电话再打一次。

解决方案是在接收端添加“舒适噪声”(comfort noise),这是一种合成背景噪声,用来弥补信号传输中的“无声”。出于相同的原因,一些IP语音(VoIP)链路中也使用了舒适噪声。此舒适噪声以较低但可以听见的音量水平呈现,音量通常根据接收信号的平均音量而调整,从而最大程度地减少刺耳的音频传输。为此甚至还存在一个建议标准——ETSI TS 100 96,该标准规范了如何产生,以及产生多少这种噪声。

噪声也可以用作加密系统中的编码密钥,只要发送方和接收方可以访问相同的随机序列和时序。这种加密噪声可以是相对容易创建和重建的伪随机序列,也可以是使用诸如Johnson噪声、电子运动、光子的量子性质,甚至核衰变等现象的真正随机序列。

用这种方式使用随机噪声的想法并不新颖。SIGSALY(别名:绿色大黄蜂)系统在第二次世界大战中被用于干扰罗斯福总统和丘吉尔首相之间的通话。噪声源是一个78rpm的录音,伴随真空管随机噪声,仅有两个副本,通话连接的两端各一个,而连接两端的电唱机转盘同步是个大难题(图2)。关于SIGSALY有一个非常详细的讨论,但我们很难将它涉及到的硬件都描绘出来。每个终端节点都由30多个全高19英吋的机架和四个转盘组成,重达50,000公斤,耗能30kW,并有特殊的空调要求。

图2:在第二次世界大战中,庞大的超级机密SIGSALY加扰器系统中使用的两个转盘,用来播放具有真正随机噪声的录音带,噪声用于编码和译码音频信号。(来源:Crypto Museum)

可以将噪声添加到电动车和混合动力车辆中。因为电动车和混合动力车在电动模式下的特征之一是它们在低速行驶时几乎无噪音,这可能会使周围的行人或骑自行车的人,尤其是有视力障碍的人感到不安,甚至导致危险。于是,在美国和全球,现在这些车辆都被要求(透过逐步实施,现已被延后),当以低于30公里/小时或18.6mph的速度行驶时,发出指定响度和频谱的噪声(图3)。还有一份由美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)提供的长达137页的环境评估报告。也许愤世嫉俗的人会说,制造非常安静的车辆就是“吃力不讨好”。

图3:以10mph速度行驶的车辆发出的噪声,曲线是A加权的1/3八度音阶示例。(来源:NHTSA)

当然,这里仅列出几个有用噪声的示例。高斯噪声、白噪声、粉红噪声和其他噪声频谱都可以用于掩盖令人不快的声音、遮掩或模糊影像,以及隐藏其他信息。你曾经是否故意使用声音、电或其他噪声来解决、掩盖或处理麻烦?你是否对“噪声都有害”的先入为主观念有所改变?请分享你的想法和经验。

(参考原文:Not all noise is bad in analog and digital designs,by Bill Schweber)

责编:Luffy Liu

本文为《电子工程专辑》2021年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

EETC https://www.eet-china.com
本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
  • Cirrus Logic 同意以3.35亿美元收购 Lion Semiconduct 本次收购Lion Semiconductor,为Cirrus Logic旗下增加了快速充电 IC产品线,扩大了公司的高性能混合信号技术产品组合……
  • 神经拟态视觉解决方案企业普诺飞思获创新工场新一轮投 本轮投资由全球AI专家李开复博士创办的创新工场领投,小米及韦豪创芯跟投,将助力普诺飞思扩展全球布局、深耕中国市场……
  • TI 9亿美元收购美光12吋晶圆厂,换设备可能要花30亿 6月30日,德州仪器(Texas Instruments,TI)表示将以9亿美元的价格收购美光科技(Micron Technology)公司在犹他州莱希(Lehi)的工厂,以提高其产能。该晶圆厂曾经是美光与英特尔共同生产3D X-Point闪存芯片的所在地,但用闪存生产线,来生产模拟芯片,会不会有点大材小用?
  • 本土EDA龙头华大九天IPO申请获深交所受理,冲刺创业板 6月22日晚间,深交所发布消息称,受理国内最大的EDA企业华大九天的创业板IPO申请,保荐结构为中信证券。目前,国内外EDA市场仍由主要国际知名厂商Synopsys、Cadence和Siemens EDA三大巨头主导,华大九天2020年占我国EDA市场约6%的市场份额……
  • 2030半导体前沿技术研究系列:模拟芯片设计和智能传感器 ASPENCORE《电子工程专辑》分析师团队基于美国半导体行业协会(SIA)与半导体研究公司(SRC)联合发布的《半导体10年计划》报告,挑选出下一个十年的五大半导体前沿技术研究方向,汇编为《2030半导体前沿技术研究系列》专题......
  • 神舟十二号对接成功背后,国产元器件和自主技术帮了哪些 神舟十二号载人飞船是迄今为止我国研制标准最高,各方面指标要求最严格的载人航天器,飞船总长度约9米,为推进舱、返回舱、轨道舱三舱结构。神舟十二号飞船在此前飞船基础上性能提升的过程中,国内科研成果的应用功不可没。据悉,项目对多项国产化芯片应用进行了改进,元器件和原材料全面实现自主可控……
  • 新款iPad Pro 2021成最受欢迎的 由于采用性能相对强大的M1处理器和mini-LED屏幕以及更多的创新,新款iPad Pro 2021已经成为消费者心目中最受欢迎。然而,iPad 2却已经在全球范围内被列入“复古和过时”的名单中。
  • 三星折叠屏手机Galaxy Z Fold 3 目前来看,折叠屏新机作为一种新的生产力工具,逐渐成为高端/平板的一种趋势,有报料称三星的Galaxy Z Fold 3发布时间或为7月,并且会引入新手势操控。

  • 埃瓦科技宣布完成亿元级A轮融资,发 3D AI芯片系统公司埃瓦科技宣布已完成亿元级A轮融资,由中国首个专注于硬科技创业投资中科创星领投,拓金资本、瀚漾投资跟投,老股东鼎青投资继续追投。本轮融资将主要用于加速基于埃瓦自研3D AI 视觉芯片追萤®系列视觉模组研发和商业化进程。
  • 安森美图像感知和LiDAR技术赋能Aut AutoX RoboTaxi配备了最先进的摄像头传感器和LiDAR探测器,达到最高等级的安全水平。安森美半导体提供28个高分辨率的800万像素图像传感器AR0820AT和4个LiDAR传感器SiPM阵列,提供零盲点的全景倒车影像。
  • 科技部关于举办全国颠覆性技术创新大赛的通知(含集成电路) 7月14日,科技部发文称,为贯彻落实“十四五”规划和2035年远景目标纲要的相关部署,突出颠覆性技术创新,加强颠覆性技术供给,培育颠覆性创新文化,探索颠覆性技术“发现—遴选—培育”的新机制,重点发现和
  • 20210716 买卖芯片找老王 2021年1月重启“买卖芯片找老王”以来,我们已经帮数百家企业解决了芯片的供需要求,完成了数千万人民币的交易。 每天有N多用户过来各种缺货找货,因此,我们决定重启买卖芯片找老王业务,希望能在
  • 台积电一夜暴跌2300亿!  中国半导体论坛 振兴国产半导体产业!    周四,台积电美股股价暴跌5.51%,市值跌去2300亿!7月15日台积电发布第二季度财报。报告显示,台积电当季营收为3721
  • 提前15年!欧盟计划从2035年开始禁售燃油车 点击上面↑“电动知家”可以订阅哦!电动知家消息,据外媒报道,欧盟委员会14日提出一项立法建议,欧盟拟定到2035年,禁止销售燃油车,包括混合动力车。欧盟方面表示,此举将推动新能源汽车产业发展,引导传统
  • 【深度】2021年中美半导体产业发展对比分析(附发展差异剖析) 知识酷Pro 👆学显示行业知识找小酷!第1073篇推文导读:美国半导体产业处于领先地位,中国大陆为全球半导体需求第一大地区。本文带你分析中美半导体产业发展差异。行业主要上市公司:紫光集团(002049
  • 技术白皮书:如何应对毫米波信号分析挑战 5G技术的发展,提供了惊人的数据传输速率和随时随地的在线连接,正在改变我们的生活、工作、交流以及娱乐方式。5G的高带宽和实时功能开启了诸多全新的应用场景,为虚拟和增强现实、自动驾驶和工业物联网等领域提
  • 新能源汽车悬置轻量化设计分析探讨 点击上面↑“电动知家”可以订阅哦!摘 要: 新能源汽车为了整车轻量化,提高续航里程,零部件在设计时要求轻量化。在结构轻量化优化达到瓶颈阶段,尝试使用密度更低的新材料代替传统金属材料。采用短玻
  • 历史记录!中国大陆每天可生产10亿颗芯片 据国外科技媒体tomshardware援引国内数据报道,中国大陆半导体制造商在6月份每天生产超过10亿颗芯片,这是一个历史记录。然而,虽然本地芯片制造商创造了记录,但这还不足以满足国内的需求,目前使用
  • 新能源汽车从业“安全”证书! 随着新能源汽车产业的快速发展,新能源汽车行业人才短缺问题日益凸显。根据国务院正式发布的《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》,到2025年,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%
  • 重磅!国芯论坛上线!  中国半导体论坛 振兴国产半导体产业!    为了促进行业人士交流与学习,中国半导体论坛打造了小程序平台,方便大家交流与分享。可以分享行业心得;可以发布半导体相关视频;学
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了