從正式和非正式的教育開始，直至幾乎所有的工程項目，工程師們都認識到雜訊一直是個潛在問題，即使對於數位設計也是如此。雜訊有許多類型和特徵，其中包括高斯(Gaussian)雜訊、白(white)雜訊、萊斯(Rician)雜訊、粉紅(pink)雜訊(有時也稱作閃爍雜訊)、1/f、脈衝雜訊(impulse noise)、散粒雜訊(shot noise)、詹森-奈奎斯特(Johnson-Nyquist)雜訊、循環平穩雜訊(cyclostationary noise)、熱雜訊和量化雜訊(quantization noise)，本文僅列舉幾種可互相重疊的類型(圖1)。

圖1：白雜訊是很多種雜訊中的一種，因為它在自然界中廣泛存在，並且也是最容易分析和理解的雜訊之一，所以非常受關注。(來源：www.real-statistics.com)

通常，雜訊的「進入」路徑可分為三大類：

1.嵌入進有用訊號中的雜訊，例如調變訊號上的靜電干擾；

2.與有用訊號無關但進入系統的雜訊，例如由電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)傳導或輻射而產生的雜訊；

3.電路及其元件內部產生的雜訊。

雜訊已成為許多設計中的限制因素。它會降低訊噪比(SNR)並增加誤碼率(BER)，這可能會迫使傳輸重新進行，以及限制類比頻道或降低系統的靈敏度。正如一位專案經理曾經對我打趣說：「如果不用處理雜訊，我們的難題能少一半。」

從「雜訊是個麻煩」這一重要且反覆存在的教訓後果來看，很難想像雜訊有一天會成為一件好事。但是，現實情況是，在某種「柔道式」(judo)的操作方式中，雜訊可能是有益的，可以利用雜訊的「缺點」來創造「好處」。

怎麼創造？我可以想到以下情況：

• 透過將隨機雜訊「抖動」添加到數位化訊號中，執行多次類比/數位轉換，然後對結果進行一些基本的統計分析，有可能可以將類比數位轉換器(ADC)的解析度提高到其物理額定值之外。當然，會存在一些局限性和權衡問題，因為在轉換期間數位化訊號必須是穩定的。並且，進行更高解析度轉換的時間等於基本類比數位轉換時間乘以轉換週期數。
• 將機械雜訊(也稱為抖動)添加到諸如伺服閥之類的元件中，通常可以防止閥芯的啟動運動中靜摩擦的阻礙。這個抖動是一個添加到閥控訊號中的低振幅訊號，通常在100Hz~1,000Hz之間，可使閥芯始終保持活動。困難處是添加剛剛好的抖動來防止靜摩擦，同時又不會因為添加得太多以至於使閥嚴重錯位，從而導致對流體流量失去控制。
• 有時需要將雜訊故意添加到訊號通道中，以讓使用者知道系統已打開並且正在工作，而非連接中斷。當1990年代數位蜂巢GSM標準發佈以取代已有的類比蜂巢系統時，讓使用者感到不安的是，當沒有人講話時，音訊通道有時會是完全安靜的，於是他們真的會掛斷電話再打一次。

解決方案是在接收端添加「舒適雜訊」(comfort noise)，這是一種合成背景雜訊，用來彌補訊號傳輸中的「無聲」。出於相同的原因，一些IP語音(VoIP)鏈路中也使用了舒適雜訊。此舒適雜訊以較低但可以聽見的音量水準呈現，音量通常根據接收訊號的平均音量而調整，從而最大程度地減少刺耳的音訊廣播。為此甚至還存在一個建議標準——ETSI TS 100 96，該標準規範了如何產生，以及產生多少這種雜訊。

雜訊也可以用作加密系統中的編碼金鑰，只要發送方和接收方可以訪問相同的隨機序列和時序。這種加密雜訊可以是相對容易創建和重建的偽隨機序列，也可以是使用諸如Johnson雜訊、電子運動、光子的量子性質，甚至核衰變等現象的真正隨機序列。

用這種方式使用隨機雜訊的想法並不新穎。SIGSALY(別名：綠色大黃蜂)系統在第二次世界大戰中被用於干擾羅斯福總統和邱吉爾首相之間的通話。噪音源是一個78rpm的錄音，伴隨真空管隨機雜訊，僅有兩個副本，通話連接的兩端各一個，而連接兩端的電唱機轉盤同步是個大難題(圖2)。關於SIGSALY有一個非常詳細的討論，但我們很難將它涉及到的硬體都描繪出來。每個終端節點都由30多個全高19英吋的機架和四個轉盤組成，重達50,000公斤，耗能30kW，並有特殊的空調要求。

圖2：在第二次世界大戰中，龐大的超級機密SIGSALY加擾器系統中使用的兩個轉盤，用來播放具有真正隨機雜訊的錄音帶，雜訊用於編碼和解碼音訊訊號。(來源：Crypto Museum)

可以將雜訊添加到電動車和混合動力車輛中。因為電動車和混合動力車在電動模式下的特徵之一是它們在低速行駛時幾乎無噪音，這可能會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，甚至導致危險。於是，在美國和全球，現在這些車輛都被要求(透過逐步實施，現已被延後)，當以低於30公里/小時或18.6mph的速度行駛時，發出指定響度和頻譜的雜訊(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137頁的環境評估報告。也許憤世嫉俗的人會說，製造非常安靜的車輛就是「吃力不討好」。

圖3：以10mph速度行駛的車輛發出的雜訊，曲線是A加權的1/3八度音階示例。(來源：NHTSA)

當然，這裡僅列出幾個有用雜訊的示例。高斯雜訊、白色雜訊、粉紅雜訊和其他雜訊頻譜都可以用於掩蓋令人不快的聲音、遮掩或模糊影像，以及隱藏其他資訊。你曾經是否故意使用聲音、電或其他雜訊來解決、掩蓋或處理麻煩？你是否對「雜訊都有害」的先入為主觀念有所改變？請分享你的想法和經驗。

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

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年4月號

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