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白噪音抵消外界噪音的原理是什么?


這個(gè)問題的根本原因不在心理學(xué)/神經(jīng)科學(xué)范疇,而是在物理學(xué)和信號處理(非線性系統(tǒng))范疇。

該現(xiàn)象被稱為隨機(jī)共振(Stochastic Resonance, SR),存在于非線性系統(tǒng)對信號調(diào)制作用之中,而我們?nèi)四X和許多信號處理設(shè)備對信號的處理機(jī)制都符合非線性系統(tǒng)特征,因而存在此現(xiàn)象。

該現(xiàn)象最早在1981年被發(fā)現(xiàn)和定性描述,論文發(fā)表于Journal of Physics A: Mathematical and General [1]. 原論文鏈:http://www.researchgate.net/profile/Alfonso_Sutera/publication/231036526_The_mechanism_of_stochastic_resonance/links/0c9605281201a26621000000.pdf簡單的說,該現(xiàn)象是指原始信號在強(qiáng)度很弱的時(shí)候,特別是在探測水平之下時(shí),可以在信號中加入一定強(qiáng)度的白噪聲。

理想的白噪聲在全頻域是同等強(qiáng)度的,實(shí)際中一般不會有。

這種全頻域同等強(qiáng)度(或者接近)的信號,在與原始信號相對應(yīng)的頻段,會跟原始信號產(chǎn)生共振,使原始信號的強(qiáng)度增加,上升到可探測的水平,而同時(shí)白噪聲的信號強(qiáng)度保持不變。

在后期信號處理時(shí),對人腦和信號處理設(shè)備的信號處理機(jī)制來說,白噪聲是很容易被過濾掉的(帶通濾波等方法),這樣的結(jié)果就是,在增加輸入信號(有用信號)的強(qiáng)度的同時(shí),并不太影響該信號的特征(保真)。

這種現(xiàn)象或許跟我們的直覺相悖,因?yàn)楦鶕?jù)我們的經(jīng)驗(yàn),對于一個(gè)信號處理系統(tǒng),噪聲的存在通常會影響系統(tǒng)的信號的處理能力,因此經(jīng)常想要抑制系統(tǒng)的噪聲,提高信噪比(SNR)。

隨機(jī)共振現(xiàn)象并不是遮蔽或者抵消了其他信號(雖然好像是產(chǎn)生了類似的效果),而是增強(qiáng)了想要的信號。

在原始信號中加入適當(dāng)強(qiáng)度(過猶不及)的的白噪聲,等價(jià)于將信噪比提升十個(gè)分貝左右,這是非常巨大的進(jìn)步。

比如約瑟夫結(jié)(Josephson Junction):對于人和生物的神經(jīng)系統(tǒng)來說,Bulsara等早在1991年就提出了包含隨機(jī)共振的單個(gè)神經(jīng)細(xì)元模型[3]。

通過模擬證實(shí),隨機(jī)共振能使微弱信號的信噪比增加多達(dá)十五個(gè)分貝。

隨后,人們在人類視覺感知機(jī)制中也發(fā)現(xiàn)了隨機(jī)共振現(xiàn)象[4],比如下圖中的大本鐘,在圖像中加入噪聲之后,我們反而能看到更多的細(xì)節(jié):聽覺方面當(dāng)然也存在隨機(jī)共振現(xiàn)象[5, 6]:甚至人工耳蝸中也存在隨機(jī)共振現(xiàn)象[7],也就是說,人體的聽覺機(jī)制部分損壞時(shí),并不大影響該現(xiàn)象的存在:在動物界,隨機(jī)共振也是普遍存在并被利用的。

比如匙吻鱘(Polyodon spathula)能利用其吻部數(shù)千個(gè)電感受器(electroreceptors)來探測極為微弱的電場變化。

通常這種電場變化是由水中的大群浮游生物產(chǎn)生的。

實(shí)驗(yàn)證明在引入一定電場噪聲信號的情況下,匙吻鱘的捕獵距離(探測)距離要高于沒有噪聲信號的時(shí)候[8]:其他例子還有老鼠、蟋蟀、小龍蝦等的機(jī)械波感受器(感知危險(xiǎn))等。

當(dāng)然,要記住產(chǎn)生隨機(jī)共振效應(yīng)的條件