Шум (электроника)

Эта статья о фундаментальных шумовых процессах в электронике. Информацию об электронном шуме, возникающем из внешних источников, см. в разделе «Электромагнитная совместимость» и «Электромагнитные помехи» . Информацию об акустическом шуме, вызванном электромагнитными полями, см. в разделе « Акустический шум и вибрация, вызванные электромагнитным излучением» . Чтобы узнать о других значениях, см. Шум (значения) .

Случайные колебания напряжения в розовом шуме

В электронике шум — это нежелательное искажение электрического сигнала.

Шум, создаваемый электронными устройствами, сильно различается, поскольку он создается несколькими различными эффектами.

В частности, шум присущ физике и занимает центральное место в термодинамике . Любой проводник с электрическим сопротивлением по своей сути будет генерировать тепловой шум. Окончательного устранения теплового шума в электронике можно добиться только криогенным способом , и даже тогда квантовый шум останется присущим.

Электронный шум является распространенным компонентом шума при обработке сигналов .

В системах связи шум — это ошибка или нежелательное случайное нарушение полезного информационного сигнала в канале связи . Шум представляет собой сумму нежелательной или мешающей энергии естественных, а иногда и искусственных источников. Однако шум обычно отличают от помех . например, в показателях отношения сигнал/шум (SNR), отношения сигнал/помеха (SIR) и отношения сигнал/шум плюс помеха (SNIR). Шум также обычно отличают от искажений , которые представляют собой нежелательное систематическое изменение формы сигнала оборудованием связи, например, по показателям отношения сигнал/шум и искажений (SINAD) и общего гармонического искажения плюс шум (THD+N).

Хотя шум, как правило, нежелателен, он может служить полезной цели в некоторых приложениях, таких как генерация случайных чисел или сглаживание .

Некоррелированные источники шума складываются согласно сумме своих степеней.

Типы шума

Различные типы шума генерируются разными устройствами и разными процессами. Тепловой шум неизбежен при ненулевой температуре (см. теорему о флуктуационно-диссипативном шуме ), в то время как другие типы зависят в основном от типа устройства (например, дробовой шум , для которого требуется высокий потенциальный барьер) или качества изготовления и дефектов полупроводников , таких как флуктуации проводимости, включая шум 1/f .

Тепловой шум

Основная статья: шум Джонсона – Найквиста

Шум Джонсона – Найквиста (чаще тепловой шум) неизбежен и генерируется случайным тепловым движением носителей заряда (обычно электронов ) внутри электрического проводника , которое происходит независимо от любого приложенного напряжения .

Тепловой шум примерно белый , а это означает, что его спектральная плотность мощности почти одинакова во всем частотном спектре . Амплитуда сигнала имеет почти гауссову функцию плотности вероятности . Система связи, подверженная воздействию теплового шума, часто моделируется как канал с аддитивным белым гауссовским шумом (AWGN).

Шум выстрела

Основная статья: Дробовой шум

Дробовой шум в электронных устройствах возникает в результате неизбежных случайных статистических флуктуаций электрического тока , когда носители заряда (например, электроны) пересекают зазор. Если электроны текут через барьер, то время их прибытия дискретно. Эти дискретные поступления демонстрируют дробовой шум. Обычно используется барьер в диоде. Шум выстрелов подобен шуму, создаваемому дождем, падающим на жестяную крышу. Поток дождя может быть относительно постоянным, но отдельные капли дождя прибывают дискретно.

Среднеквадратичное значение тока дробового шума in _{определяется} формулой Шоттки.

$i_{n}={\sqrt {2Iq\Delta B}}$

где I — постоянный ток, q — заряд электрона, а Δ B — ширина полосы пропускания в герцах. Формула Шоттки предполагает независимые поступления.

В электронных лампах возникает дробовой шум, поскольку электроны случайным образом покидают катод и достигают анода (пластины). Лампа может не проявлять полного эффекта шума: наличие объемного заряда имеет тенденцию сглаживать время прихода тока (и, таким образом, уменьшать хаотичность тока). Пентоды с экранной сеткой и тетроды демонстрируют больше шума, чем триоды, поскольку катодный ток распределяется случайным образом между экранной сеткой и анодом.

Проводники и резисторы обычно не издают дробового шума, поскольку электроны термализуются и диффузно движутся внутри материала; электроны не имеют дискретного времени прибытия. Дробовой шум был продемонстрирован в мезоскопических резисторах, когда размер резистивного элемента становится меньше длины электрон-фононного рассеяния.

Шум раздела

Если ток разделяется между двумя (или более) путями, шум возникает в результате случайных колебаний, возникающих при этом делении.

По этой причине транзистор будет иметь больше шума, чем суммарный дробовой шум двух его PN-переходов.

Мерцающий шум

Основные статьи: Фликер-шум и шум 1/f

Фликер-шум, также известный как 1/ f- шум, представляет собой сигнал или процесс с частотным спектром, который постепенно спадает в сторону более высоких частот, с розовым спектром. Это происходит практически во всех электронных устройствах и возникает в результате множества эффектов.

Взрывной шум

Основная статья: Взрывной шум

Всплеск шума состоит из внезапных ступенчатых переходов между двумя или более дискретными уровнями напряжения или тока высотой до нескольких сотен микровольт в случайное и непредсказуемое время. Каждый сдвиг напряжения или тока смещения длится от нескольких миллисекунд до секунд. Он также известен как шум попкорна из-за хлопающих или потрескивающих звуков, которые он издает в аудиосхемах.

Транзитный шум

Если время, затрачиваемое электронами на путь от эмиттера к коллектору в транзисторе, становится сравнимым с периодом усиливаемого сигнала, то есть на частотах выше ОВЧ и выше, имеет место эффект времени прохождения и шумовое входное сопротивление транзистор уменьшается. Начиная с частоты, на которой этот эффект становится значительным, он увеличивается с частотой и быстро доминирует над другими источниками шума.

Связанный шум

См. Также: Электромагнитная совместимость.

Хотя шум может генерироваться в самой электронной схеме, дополнительная энергия шума может поступать в схему из внешней среды посредством или емкостной связи или через антенну радиоприемника индуктивной .

Источники

Интермодуляционный шум

Возникает, когда сигналы разных частот находятся в одной и той же нелинейной среде.

Перекрестные помехи

Явление, при котором сигнал, передаваемый по одной цепи или каналу системы передачи, создает нежелательные помехи сигналу в другом канале.

Помехи

Модификация или нарушение сигнала, распространяющегося по среде

Атмосферный шум

Также называемый статическим шумом, он вызван разрядами молний во время грозы и другими электрическими возмущениями, возникающими в природе, например, коронным разрядом .

Промышленный шум

Такие источники, как автомобили, самолеты, электродвигатели зажигания и распределительные устройства, высокого напряжения провода и люминесцентные лампы, вызывают промышленный шум. Эти шумы производятся разрядом, присутствующим во всех этих операциях.

Солнечный шум

Шум, исходящий от Солнца , называется солнечным шумом . происходит примерно постоянно В нормальных условиях излучение Солнца из-за его высокой температуры, но солнечные бури могут вызывать различные электрические возмущения. Интенсивность солнечного шума меняется со временем в солнечном цикле .

Космический шум

Далекие звезды генерируют шум, называемый космическим шумом. Хотя эти звезды находятся слишком далеко, чтобы индивидуально влиять на земные системы связи , их большое количество приводит к заметным коллективным эффектам. Космический шум наблюдался в диапазоне от 8 МГц до 1,43 ГГц, последняя частота соответствует 21-сантиметровой линии водорода . Помимо искусственного шума, это самый сильный компонент в диапазоне от 20 до 120 МГц. Незначительный космический шум ниже 20 МГц проникает в ионосферу, а его возможное исчезновение на частотах выше 1,5 ГГц, вероятно, обусловлено механизмами его генерации и поглощения водородом в межзвездном пространстве.

Смягчение

Во многих случаях шум, обнаруженный в сигнале в цепи, нежелателен. Существует множество различных методов шумоподавления, которые могут уменьшить шум, улавливаемый схемой.

1. Клетка Фарадея. Клетка Фарадея, в которой заключена схема, может использоваться для изоляции схемы от внешних источников шума. Клетка Фарадея не может устранять источники шума, возникающие в самой схеме или поступающие на ее входы, включая источник питания.
2. Емкостная связь. Емкостная связь позволяет улавливать сигнал переменного тока из одной части цепи в другой части за счет взаимодействия электрических полей. Если соединение непреднамеренно, последствия можно устранить за счет улучшения компоновки схемы и заземления.
3. Контуры заземления. При заземлении цепи важно избегать контуров заземления . Контур заземления возникает, когда существует разница напряжений между двумя соединениями заземления. Хороший способ исправить это — соединить все заземляющие провода с одинаковым потенциалом на заземляющей шине.
4. Экранированные кабели. Экранированный кабель можно рассматривать как клетку Фарадея для проводки, он может защитить провода от нежелательных помех в чувствительной цепи. Для обеспечения эффективности щит должен быть заземлен. Заземление экрана только с одного конца позволяет избежать образования контура заземления на экране.
5. Витая пара. Скручивание проводов в цепи снижает электромагнитные помехи. Скручивание проводов уменьшает размер петли, по которой может проходить магнитное поле, создавая ток между проводами. Между скрученными вместе проводами могут существовать небольшие петли, но магнитное поле, проходящее через эти петли, индуцирует ток, текущий в противоположных направлениях в чередующихся петлях на каждом проводе, поэтому нет чистого шумового тока.
6. Режекторные фильтры. Режекторные фильтры или режекторные фильтры полезны для устранения шума определенной частоты. Например, линии электропередачи внутри здания работают с частотой сети 50 или 60 Гц . Чувствительная схема воспримет эту частоту как шум. Режекторный фильтр, настроенный на частоту сети, может удалить шум.

Тепловой шум можно уменьшить за счет охлаждения цепей - обычно это используется только в высокоточных дорогостоящих приложениях, таких как радиотелескопы.

Количественная оценка

Уровень шума в электронной системе обычно измеряется как электрическая мощность N в ваттах или дБм , среднеквадратичное напряжение (RMS) (идентичное стандартному отклонению шума ) в вольтах, дБмкВ или среднеквадратическая ошибка (MSE) в вольтах. в квадрате. Примерами единиц измерения уровня электрического шума являются dBu , dBm0 , dBrn , dBrnC и dBrn( f ₁ − f ₂ ), dBrn (144 строки ). Шум также может быть охарактеризован его распределением вероятностей и спектральной плотностью шума N ₀ ( f ) в ваттах на герц.

Шумовой сигнал обычно рассматривается как линейное дополнение к полезному информационному сигналу. Типичными показателями качества сигнала, включающими шум, являются отношение сигнал/шум (SNR или S / N ), отношение сигнал/шум квантования (SQNR) при аналого-цифровом преобразовании и сжатии, пиковое отношение сигнал/шум (PSNR). ) при кодировании изображений и видео и коэффициенте шума в каскадных усилителях. В аналоговой системе связи с полосой пропускания с модуляцией несущей определенное отношение несущей к шуму (CNR) на входе радиоприемника приведет к определенному отношению сигнал/шум в обнаруженном сигнале сообщения. В системе цифровой связи определенное E _b / N ₀ (нормализованное отношение сигнал/шум) приведет к определенной частоте ошибок по битам . Телекоммуникационные системы стремятся увеличить соотношение уровня сигнала и уровня шума для эффективной передачи данных. Шум в телекоммуникационных системах является продуктом действия как внутренних, так и внешних источников системы.

Шум — это случайный процесс, характеризующийся стохастическими свойствами, такими как дисперсия , распределение и спектральная плотность . Спектральное распределение шума может меняться в зависимости от частоты , поэтому его плотность мощности измеряется в ваттах на герц (Вт/Гц). Поскольку мощность в резистивном элементе пропорциональна квадрату напряжения на нем, шумовое напряжение (плотность) можно описать, извлекая квадратный корень из плотности мощности шума, что дает в результате вольт на корень герца ( $\scriptstyle \mathrm {V} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }}$). Устройства на интегральных схемах , такие как операционные усилители, обычно указывают эквивалентный уровень входного шума в этих терминах (при комнатной температуре).

Дизеринг

Если источник шума коррелирует с сигналом, например, в случае ошибки квантования , намеренное введение дополнительного шума, называемого дизерингом , может уменьшить общий шум в интересующей полосе пропускания. Этот метод позволяет извлекать сигналы ниже номинального порога обнаружения прибора. Это пример стохастического резонанса .

См. также

• Активный контроль шума для снижения шума за счет подавления
• Цвета шума
• Открытие космического микроволнового фонового излучения
• Обнаружение и коррекция ошибок цифровых сигналов, подверженных шуму
• Генерационный-рекомбинационный шум
• Согласованный фильтр для шумоподавления в модемах
• Шум (обработка сигнала)
• Шумоподавление и для звука и изображений
• Фононный шум

Ссылки

• В этой статье использованы общедоступные материалы из Федеральный стандарт 1037C . Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).

Дальнейшее чтение

• Ш. Коган (1996). Электронный шум и флуктуации в твердых телах . Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-46034-4 .
• Шерц, Пол. (14 ноября 2006 г.) Практическая электроника для изобретателей . ред. МакГроу-Хилл.

Внешние ссылки

• Исследование шума активного фильтра (Саллен и Ки) . Архивировано 22 мая 2015 г. в Wayback Machine .
• Калькулятор белого шума, тепловой шум — напряжение в микровольтах, преобразование в уровень шума в дБу и дБВ и наоборот