MATLAB 中产生高斯白噪声非常方便,可以直接应用两个函数,一个是 WGN,另一个是 AWGN。WGN 用于产生高斯白噪
声,AWGN 则用于在某一信号中加入高斯白噪声。
1. WGN:产生高斯白噪声
y = wgn(m,n,p) 产生一个 m 行 n 列的高斯白噪声的矩阵,p 以 dBW 为单位指定输出噪声的强度。
y = wgn(m,n,p,imp) 以欧姆(Ohm)为单位指定负载阻抗。
y = wgn(m,n,p,imp,state) 重置 RANDN 的状态。
在数值变量后还可附加一些标志性参数:
y = wgn(…,POWERTYPE) 指定 p 的单位。POWERTYPE 可以是'dBW', 'dBm'或'linear'。线性强度(linear power)以瓦特(Watt)为
单位。
y = wgn(…,OUTPUTTYPE) 指定输出类型。OUTPUTTYPE 可以是'real'或'complex'。
2. AWGN:在某一信号中加入高斯白噪声
y = awgn(x,SNR) 在信号 x 中加入高斯白噪声。信噪比 SNR 以 dB 为单位。x 的强度假定为 0dBW。如果 x 是复数,就加入
复噪声。
y = awgn(x,SNR,SIGPOWER) 如果 SIGPOWER 是数值,则其代表以 dBW 为单位的信号强度;如果 SIGPOWER 为'measured',
则函数将在加入噪声之前测定信号强度。
y = awgn(x,SNR,SIGPOWER,STATE) 重置 RANDN 的状态。
y = awgn(…,POWERTYPE) 指定 SNR 和 SIGPOWER 的单位。POWERTYPE 可以是'dB'或'linear'。如果 POWERTYPE 是'dB',那么
SNR 以 dB 为单位,而 SIGPOWER 以 dBW 为单位。如果 POWERTYPE 是'linear',那么 SNR 作为比值来度量,而 SIGPOWER
以瓦特为单位。
注释
1. 分贝(decibel, dB):分贝(dB)是表示相对功率或幅度电平的标准单位,换句话说,就是我们用来表示两个能量之间的
差别的一种表示单位,它不是一个绝对单位。例如,电子系统中将电压、电流、功率等物理量的强弱通称为电平,电平
的单位通常就以分贝表示,即事先取一个电压或电流作为参考值(0dB),用待表示的量与参考值之比取对数,再乘以 20
作为电平的分贝数(功率的电平值改乘 10)。
2. 分贝瓦(dBW, dB Watt):指以 1W 的输出功率为基准时,用分贝来测量的功率放大器的功率值。
3. dBm (dB-milliWatt):即与 1milliWatt(毫瓦)作比较得出的数字。
0 dBm = 1 mW
10 dBm = 10 mW
20 dBm = 100 mW
也可直接用 randn 函数产生高斯分布序列,例如:
程序代码
y=randn(1,2500);
y=y/std(y);
y=y-mean(y);
a=0.0128;
b=sqrt(0.9596);
y=a+b*y;
就得到了 N ( 0.0128, 0.9596 ) 的高斯分布序列
产生指定方差和均值的随机数
设某个随机变量 x 均值为 mu,方差为 var^2,若要产生同样分布的随机变量 y,但使新的随
机变量参数改变,均值为 mu_1,方差为 var_1^2,可以用如下公式进行变换:
y=var_1/var*(x-mu)+mu_1,其中 x 为随机变量,其余为常数(原分布参数)。
具体到正态分布,若要产生均值为 u,方差为 o^2 的 M*N 的随机数矩阵,可以用
y=o*randn(M,N)+u 得到。
对于均匀分布,若要产生[a,b]区间的均匀分布的 M*N 的随机数矩阵,则可以用
y=rand(M,N)*(b-a)+a 得到。
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上述资料基本上完整地描述了原始问题,不过有几点内容附带说明一下:
1. 首先更正一个错误,我认为在“生成 N ( 0.0128, 0.9596 ) 的高斯分布序列”的程序中,应该改为以下的代码:
程序代码
y=randn(1,2500);
y=y-mean(y);
y=y/std(y);
a=0.0128;
b=sqrt(0.9596);
y=a+b*y;
2. 上面资料最后部分隐含了一个出自 zhyuer 版友的结论:
%==========================zhyuer===================================%
1) rand 产生的是[0,1]上的均匀分布的随机序列
2) randn 产生均值为 0,方差为 1 的高斯随机序列,也就是白噪声序列;
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也就是说,可以直接使用上面两个函数对原始信号添加噪声(例如 y=x+rand(length(x),1)或者 y=x+randn(length(x),1))
3. 事实上,无论是 wgn 还是 awgn 函数,实质都是由 randn 函数产生的噪声。即,wgn 函数中调用了 randn 函数,而 awgn
函数中调用了 wgn 函数。下面就我熟悉的“向已知信号添加某个信噪比(SNR)的高斯白噪声”来说明一下,不过如果大
家阅读过 awgn 的实现代码就不用看下去了,呵呵。从上述可知,这个任务可以使用 awgn 函数实现,具体命令是:
awgn(x,snr,’measured’,'linear’),命令的作用是对原信号 f(x)添加信噪比(比值)为 SNR 的噪声,在添加之前先估计信号 f
的强度。这里涉及三个问题:在 awgn 这个函数中,SNR 是如何计算的?什么是信号的强度?awgn 函数具体是如何添加
噪声的?事实上,前两个问题是相关的,因为根据定义,SNR 就是信号的强度除以噪声的强度,所以,首先来讲讲信号
的强度。其实信号的强度指的就是信号的能量,在连续的情形就是对 f(x)平方后求积分,而在离散的情形自然是求和代
替积分了。在 matlab 中也是这样实现的,只不过多了一个规范化步骤罢了:
sigPower = sum(abs(sig().^2)/length(sig()
这就是信号的强度。至此,SNR 的具体实现也不用多说了(注:由于采用的是比值而非 db,所以与下面“计算信噪比”所
使用的方式不同,即没有求对数步骤)。
最后说说 awgn 函数具体是如何添加噪声的。事实上也很简单,在求出 f 的强度后,结合指定的信噪比,就可以求出需
要添加的噪声的强度 noisePower=sigPower/SNR。由于使用的是高斯白噪声即 randn 函数,而 randn 的结果是一个强度为
1 的随机序列(自己试试 sum(randn(1000,1).^2)/1000 就知道了,注意信号的长度不能太小)。于是,所要添加的噪声信
号显然就是:sqrt(noisePower)*randn(n,1),其中 n 为信号长度。