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白噪音抵消外界噪音的原理是什么_2
发布时间:2019-11-12 20:52:30   点击:872次

这个问题的根本原因不在心理学/神经科学范畴,而是在物理学和信号处理(非线性系统)范畴。该现象被称为随机共振(StochasticResonance,SR),存在于非线性系统对信号调制作用之中,而我们人脑和许多信号处理设备对信号的处理机制都符合非线性系统特征,因而存在此现象。该现象最早在1981年被发现和定性描述,论文发表于JournalofPhysicsA:MathematicalandGeneral[1].原论文链:http://www.researchgate.net/profile/Alfonso_Sutera/publication/231036526_The_mechanism_of_stochastic_resonance/links/0c9605281201a26621000000.pdf简单的说,该现象是指原始信号在强度很弱的时候,特别是在探测水平之下时,可以在信号中加入一定强度的白噪声。理想的白噪声在全频域是同等强度的,实际中一般不会有。这种全频域同等强度(或者接近)的信号,在与原始信号相对应的频段,会跟原始信号产生共振,使原始信号的强度增加,上升到可探测的水平,而同时白噪声的信号强度保持不变。在后期信号处理时,对人脑和信号处理设备的信号处理机制来说,白噪声是很容易被过滤掉的(带通滤波等方法),这样的结果就是,在增加输入信号(有用信号)的强度的同时,并不太影响该信号的特征(保真)。这种现象或许跟我们的直觉相悖,因为根据我们的经验,对于一个信号处理系统,噪声的存在通常会影响系统的信号的处理能力,因此经常想要抑制系统的噪声,提高信噪比(SNR)。随机共振现象并不是遮蔽或者抵消了其他信号(虽然好像是产生了类似的效果),而是增强了想要的信号。在原始信号中加入适当强度(过犹不及)的的白噪声,等价于将信噪比提升十个分贝左右,这是非常巨大的进步。比如约瑟夫结(JosephsonJunction):对于人和生物的神经系统来说,Bulsara等早在1991年就提出了包含随机共振的单个神经细元模型[3]。通过模拟证实,随机共振能使微弱信号的信噪比增加多达十五个分贝。随后,人们在人类视觉感知机制中也发现了随机共振现象[4],比如下图中的大本钟,在图像中加入噪声之后,我们反而能看到更多的细节:听觉方面当然也存在随机共振现象[5,6]:甚至人工耳蜗中也存在随机共振现象[7],也就是说,人体的听觉机制部分损坏时,并不大影响该现象的存在:在动物界,随机共振也是普遍存在并被利用的。比如匙吻鲟(Polyodonspathula)能利用其吻部数千个电感受器(electroreceptors)来探测极为微弱的电场变化。通常这种电场变化是由水中的大群浮游生物产生的。实验证明在引入一定电场噪声信号的情况下,匙吻鲟的捕猎距离(探测)距离要高于没有噪声信号的时候[8]:其他例子还有老鼠、蟋蟀、小龙虾等的机械波感受器(感知危险)等。当然,要记住产生随机共振效应的条件适量的噪声非线性系统以上。--------[1]Benzi,Roberto,AlfonsoSutera,andAngeloVulpiani."Themechanismofstochasticresonance."JournalofPhysicsA:mathematicalandgeneral14.11(1981):L453.[2]Wiesenfeld,Kurt,andFrankMoss."Stochasticresonanceandthebenefitsofnoise:fromiceagestocrayfishandSQUIDs."Nature373.6509(1995):33-36.[3]Bulsara,Adi,etal."Stochasticresonanceinasingleneuronmodel:Theoryandanalogsimulation."JournalofTheoreticalBiology152.4(1991):531-555.[4]Simonotto,Enrico,etal."Visualperceptionofstochasticresonance."PhysicalReviewLetters78.6(1997):1186.[5]Balenzuela,Pablo,andJordiGarcía-Ojalvo."Neuralmechanismforbinauralpitchperceptionviaghoststochasticresonance."Chaos:AnInterdisciplinaryJournalofNonlinearScience15.2(2005):023903.[6]Ward,LawrenceM.,etal."Neuralsynchronyinstochasticresonance,attention,andconsciousness."CanadianJournalofExperimentalPsychology/Revuecanadiennedepsychologieexpérimentale60.4(2006):319.[7]Chatterjee,Monita,andMarkE.Robert."Noiseenhancesmodulationsensitivityincochlearimplantlisteners:Stochasticresonanceinaprostheticsensorysystem?."JournaloftheAssociationforResearchinOtolaryngology2.2(2001):159-171.[8]Russell,DavidF.,LonA.Wilkens,andFrankMoss."Useofbehaviouralstochasticresonancebypaddlefishforfeeding."Nature402.6759(1999):291-294.

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