Hałas (elektronika) - Noise (electronics)

Analogowe wyświetlanie losowych wahań napięcia w różowym szumie .

W elektronice szum jest niepożądanym zakłóceniem sygnału elektrycznego. Hałas generowany przez urządzenia elektroniczne jest bardzo zróżnicowany, ponieważ jest wytwarzany przez kilka różnych efektów.

W systemach komunikacyjnych szum jest błędem lub niepożądanym przypadkowym zakłóceniem sygnału użytecznej informacji . Hałas jest sumą niechcianej lub niepokojącej energii z naturalnych, a czasem stworzonych przez człowieka źródeł. Szum jest jednak typowo odróżniany od zakłóceń , na przykład miarami stosunku sygnału do szumu (SNR), stosunku sygnału do zakłóceń (SIR) oraz miarami stosunku sygnału do szumu i zakłóceń (SNIR). Szum jest również zazwyczaj odróżniany od zniekształceń , które są niepożądaną systematyczną zmianą kształtu fali sygnału przez sprzęt komunikacyjny, na przykład w miarach stosunku sygnału do szumu i zniekształceń (SINAD) oraz całkowitych zniekształceń harmonicznych plus szum (THD+N).

Chociaż szum jest ogólnie niepożądany, w niektórych aplikacjach może służyć użytecznym celom, takim jak generowanie liczb losowych lub dithering .

Rodzaje hałasu

Różne rodzaje hałasu są generowane przez różne urządzenia i różne procesy. Szumy termiczne są nieuniknione w niezerowej temperaturze (patrz twierdzenie o fluktuacjach i rozpraszaniu ), podczas gdy inne typy zależą głównie od typu urządzenia (np. szum śrutowy , który wymaga stromej bariery potencjału) lub jakości wykonania i wad półprzewodników , takich jak wahania przewodnictwa, w tym szum 1/f .

Hałas termiczny

Szum Johnsona-Nyquista (częściej szum termiczny) jest nieunikniony i jest generowany przez losowy ruch termiczny nośników ładunku (zwykle elektronów ) wewnątrz przewodnika elektrycznego , co dzieje się niezależnie od przyłożonego napięcia .

Szum termiczny jest w przybliżeniu biały , co oznacza, że ​​jego gęstość widmowa mocy jest prawie równa w całym spektrum częstotliwości . Amplituda sygnału jest bardzo zbliżona do funkcji gęstości prawdopodobieństwa Gaussa . System komunikacyjny dotknięty szumem termicznym jest często modelowany jako kanał addytywnego białego szumu Gaussa (AWGN).

Odgłos strzału

Szum strzałowy w urządzeniach elektronicznych wynika z nieuniknionych losowych fluktuacji statystycznych prądu elektrycznego, gdy nośniki ładunku (takie jak elektrony) przechodzą przez szczelinę. Jeśli elektrony przepływają przez barierę, mają dyskretne czasy przybycia. Ci dyskretni przybysze wykazują hałas wystrzału. Zazwyczaj stosuje się barierę w diodzie. Hałas wystrzału jest podobny do hałasu wytwarzanego przez deszcz padający na blaszany dach. Strumień deszczu może być stosunkowo stały, ale poszczególne krople deszczu docierają dyskretnie.

Wartość średniego pierwiastka kwadratowego z szum śrutowy prądu i n jest dany wzorem Schottky'ego.

gdzie I to prąd stały, q to ładunek elektronu, a Δ B to szerokość pasma w hercach. Formuła Schottky'ego zakłada samodzielnych przyjazdów.

Lampy próżniowe wykazują szum śrutowy, ponieważ elektrony losowo opuszczają katodę i docierają do anody (płyty). Lampa może nie wykazywać pełnego efektu szumu śrutowego: obecność ładunku kosmicznego wygładza czasy przybycia (a tym samym zmniejsza losowość prądu). Pentody i tetrody z siatką ekranu wykazują więcej szumów niż triody, ponieważ prąd katodowy rozdziela się losowo między siatkę ekranu i anodę.

Przewodniki i rezystory zazwyczaj nie wykazują szumu śrutowego, ponieważ elektrony ulegają termalizacji i przemieszczają się dyfuzyjnie w materiale; elektrony nie mają dyskretnych czasów przybycia. Szum śrutowy został zademonstrowany w rezystorach mezoskopowych, gdy rozmiar elementu rezystancyjnego staje się krótszy niż długość rozpraszania elektron-fonon.

Hałas migotania

Szum migotania, znany również jako szum 1/ f , to sygnał lub proces o widmie częstotliwości, które stopniowo spada do wyższych częstotliwości, z różowym widmem. Występuje w prawie wszystkich urządzeniach elektronicznych i wynika z różnych efektów.

Wybuchowy hałas

Szum typu burst składa się z nagłych, skokowych przejść między dwoma lub więcej dyskretnymi poziomami napięcia lub prądu, sięgającymi nawet kilkuset mikrowoltów , w losowych i nieprzewidywalnych momentach. Każde przesunięcie napięcia lub prądu przesunięcia trwa od kilku milisekund do sekund. Znany jest również odgłos popcornu związany z trzaskami lub trzaskami, które wytwarza w obwodach audio.

Hałas w czasie tranzytu

Jeśli czas potrzebny elektronom na przejście od emitera do kolektora w tranzystorze staje się porównywalny z okresem wzmacnianego sygnału, to znaczy przy częstotliwościach powyżej VHF i wyższych , zachodzi efekt czasu przejścia i impedancja wejściowa szumu tranzystor maleje. Od częstotliwości, przy której efekt ten staje się znaczący, rośnie wraz z częstotliwością i szybko dominuje nad innymi źródłami hałasu.

Połączony hałas

Podczas gdy szum może być generowane w samym układzie elektronicznym, dodatkowa energia szumu mogą być połączone w układzie z otoczenia zewnętrznego, poprzez sprzężenie indukcyjne lub pojemnościowe sprzężenie , albo poprzez antenę z odbiornika .

Źródła

Hałas intermodulacyjny
Występuje, gdy sygnały o różnych częstotliwościach współdzielą to samo medium nieliniowe.
Przesłuch
Zjawisko, w którym sygnał przesyłany w jednym obwodzie lub kanale systemu transmisyjnego powoduje niepożądane zakłócenia sygnału w innym kanale.
Ingerencja
Modyfikacja lub zakłócenie sygnału przemieszczającego się w medium
Hałas atmosferyczny
Nazywany również szumem statycznym, jest spowodowany wyładowaniami piorunowymi podczas burz i innymi zaburzeniami elektrycznymi występującymi w przyrodzie, takimi jak wyładowania koronowe .
Hałas przemysłowy
Źródła, takie jak samochody, samoloty, silniki elektryczne z zapłonem i aparatura rozdzielcza, przewody wysokiego napięcia i lampy fluorescencyjne powodują hałas przemysłowy. Hałasy te są wytwarzane przez wyładowanie obecne we wszystkich tych operacjach.
Hałas słoneczny
Hałas pochodzący ze Słońca nazywany jest szumem słonecznym . W normalnych warunkach promieniowanie słoneczne jest w przybliżeniu stałe ze względu na wysoką temperaturę, ale burze słoneczne mogą powodować różne zakłócenia elektryczne. Intensywność hałasu słonecznego zmienia się w czasie w cyklu słonecznym .
Kosmiczny hałas
Odległe gwiazdy generują szum zwany szumem kosmicznym. Chociaż te gwiazdy są zbyt daleko, aby indywidualnie wpływać na ziemskie systemy komunikacyjne , ich duża liczba prowadzi do znaczących efektów zbiorowych. Szum kosmiczny zaobserwowano w zakresie od 8 MHz do 1,43 GHz, przy czym ta ostatnia częstotliwość odpowiada 21-cm linii wodoru . Oprócz szumu wywołanego przez człowieka, jest to najsilniejszy komponent w zakresie od około 20 do 120 MHz. Niewielki szum kosmiczny poniżej 20 MHz przenika przez jonosferę, a jego ewentualne zanikanie przy częstotliwościach przekraczających 1,5 GHz jest prawdopodobnie spowodowane mechanizmami jego powstawania i jego pochłanianiem przez wodór w przestrzeni międzygwiazdowej.

Łagodzenie

W wielu przypadkach szum znajdujący się w sygnale w obwodzie jest niepożądany. Istnieje wiele różnych technik redukcji szumów, które mogą zredukować szumy odbierane przez obwód.

  1. Klatka Faradaya – Klatka Faradaya obejmująca obwód może służyć do odizolowania obwodu od zewnętrznych źródeł hałasu. Klatka Faradaya nie może adresować źródeł hałasu pochodzących z samego obwodu lub przenoszonych na jego wejściach, w tym zasilacza.
  2. Sprzężenie pojemnościowe – Sprzężenie pojemnościowe umożliwia odebranie sygnału AC z jednej części obwodu w innej części poprzez oddziaływanie pól elektrycznych. Tam, gdzie sprzężenie jest niezamierzone, efekty można rozwiązać poprzez ulepszony układ obwodów i uziemienie.
  3. Pętle uziemienia — podczas uziemiania obwodu ważne jest, aby unikać pętli uziemienia . Pętle uziemienia występują, gdy występuje różnica napięć między dwoma połączeniami uziemienia. Dobrym sposobem na rozwiązanie tego problemu jest doprowadzenie wszystkich przewodów uziemiających do tego samego potencjału w szynie uziemiającej.
  4. Kable ekranujące – kabel ekranowany można traktować jako klatkę Faradaya do okablowania i może chronić przewody przed niepożądanym szumem we wrażliwym obwodzie. Ekran musi być uziemiony, aby był skuteczny. Uziemienie ekranu tylko na jednym końcu pozwala uniknąć pętli uziemienia na ekranie.
  5. Okablowanie skrętką — skręcenie przewodów w obwodzie zmniejszy zakłócenia elektromagnetyczne. Skręcenie przewodów zmniejsza rozmiar pętli, przez którą może przebiegać pole magnetyczne, aby wytworzyć prąd między przewodami. Pomiędzy skręconymi ze sobą przewodami mogą istnieć małe pętle, ale pole magnetyczne przechodzące przez te pętle indukuje prąd płynący w przeciwnych kierunkach w naprzemiennych pętlach na każdym przewodzie, dzięki czemu nie ma prądu szumów netto.
  6. Filtry wycinające — filtry wycinające lub filtry pasmowe są przydatne do eliminowania określonej częstotliwości szumu. Na przykład linie energetyczne w budynku biegną z częstotliwością 50 lub 60 Hz . Czuły obwód odbierze tę częstotliwość jako szum. Filtr wycinający dostrojony do częstotliwości linii może usunąć szum.

Ujęcie ilościowe

Poziom hałasu w systemie elektronicznym jest zazwyczaj mierzona jako elektrycznego zasilania N w watach lub dBm , a średni pierwiastek kwadratowy (RMS) napięcia (identycznym jak hałas odchylenie standardowe ) w woltach, dBμV lub średni błąd kwadratów (MSE) w woltach do kwadratu. Przykładami jednostek pomiaru poziomu hałasu elektrycznego są dBu , dBm0 , dBrn , dBrnC i dBrn( f 1 - f 2 ), dBrn(144- line ). Hałas można również scharakteryzować za pomocą rozkładu prawdopodobieństwa i gęstości widmowej hałasu N 0 ( f ) w watach na herc.

Sygnał szumu jest zwykle uważany za liniowy dodatek do sygnału użytecznej informacji. Typowe miary jakości sygnału obejmujące szum to stosunek sygnału do szumu (SNR lub S / N ), stosunek sygnału do szumu kwantyzacji (SQNR) w konwersji i kompresji analogowo-cyfrowej , szczytowy stosunek sygnału do szumu (PSNR) ) w kodowaniu obrazu i wideo oraz współczynnik szumów we wzmacniaczach kaskadowych. W systemie komunikacji analogowej z modulacją nośną pasma przepustowego, pewien stosunek nośnej do szumu (CNR) na wejściu odbiornika radiowego skutkowałby pewnym stosunkiem sygnału do szumu w wykrytym sygnale wiadomości. W systemie komunikacji cyfrowej pewien E b / N 0 (znormalizowany stosunek sygnału do szumu) powodowałby pewną bitową stopę błędów . Systemy telekomunikacyjne dążą do zwiększenia stosunku poziomu sygnału do poziomu szumu w celu efektywnego przesyłania danych. Hałas w systemach telekomunikacyjnych jest wytworem zarówno wewnętrznych, jak i zewnętrznych źródeł systemu.

Szum jest procesem losowym, charakteryzującym się właściwościami stochastycznymi , takimi jak jego wariancja , rozkład i gęstość widmowa . Rozkład widmowy szumu może zmieniać się wraz z częstotliwością , więc jego gęstość mocy mierzy się w watach na herc (W/Hz). Ponieważ moc w elemencie rezystancyjnym jest proporcjonalna do kwadratu napięcia na nim, napięcie szumu (gęstość) można opisać, wyciągając pierwiastek kwadratowy z gęstości mocy szumu, co daje wolty na pierwiastek herca ( ). Urządzenia z obwodami scalonymi , takie jak wzmacniacze operacyjne, zwykle podają równoważny poziom szumu wejściowego w tych terminach (w temperaturze pokojowej).

Dygotać

Jeżeli źródło szumu jest skorelowane z sygnałem, tak jak w przypadku błędu kwantyzacji , celowe wprowadzenie dodatkowego szumu, zwanego ditheringiem , może zmniejszyć ogólny szum w interesującej szerokości pasma. Ta technika pozwala na odzyskanie sygnałów poniżej nominalnego progu wykrywalności przyrządu. To jest przykład rezonansu stochastycznego .

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

  • CII. Kogana (1996). Szum elektroniczny i fluktuacje ciał stałych . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. Numer ISBN 0-521-46034-4.
  • Scherza, Pawła. (2006, 14 listopada) Praktyczna elektronika dla wynalazców . wyd. McGraw-Hill.

Zewnętrzne linki