Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья посвящена фундаментальным шумовым процессам в электронике. Информацию об электронном шуме от внешних источников см. В разделе « Электромагнитная совместимость и электромагнитные помехи» . Для акустического шума, вызванного электромагнитными полями, см. « Электромагнитный акустический шум и вибрация» . Для использования в других целях, см Шум (значения) .


Аналоговое отображение случайных колебаний напряжения в розовом шуме .

В электронике шум - это нежелательное нарушение электрического сигнала. [1] : 5 Шум, создаваемый электронными устройствами, сильно различается, поскольку создается несколькими различными эффектами.

В системах связи шум - это ошибка или нежелательное случайное нарушение полезного информационного сигнала . Шум - это сумма нежелательной или мешающей энергии от естественных, а иногда и искусственных источников. Шум, однако, как правило , отличается от помех , [а] , например , в отношении сигнал-шум (SNR), отношение сигнал-помеха (SIR) и отношение сигнал-шум плюс помеха (ОСШП) мер. Шум также обычно отличается от искажения , которое представляет собой нежелательное систематическое изменение формы волны сигнала оборудованием связи, например, в отношении отношения сигнал / шум и искажения.(SINAD) и общее гармоническое искажение плюс шум (THD + N).

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

Типы шума [ править ]

Различные типы шума генерируются разными устройствами и разными процессами. Тепловой шум является неизбежным при ненулевой температуре (см теоремы флуктуационно- диссипации ), в то время как другие типы зависят главным образом от типа устройства (например, дробового шума , [1] [2] , который нуждается в крутой потенциальном барьере) или для производства качественных и полупроводниковых дефекты , например колебания проводимости, включая шум 1 / f .

Тепловой шум [ править ]

Основная статья: шум Джонсона – Найквиста

Шум Джонсона – Найквиста [1] (чаще тепловой шум) неизбежен и генерируется случайным тепловым движением носителей заряда (обычно электронов ) внутри электрического проводника , которое происходит независимо от приложенного напряжения .

Тепловой шум примерно белого цвета , что означает, что его спектральная плотность мощности почти одинакова во всем частотном спектре . Амплитуда сигнала имеет почти гауссову функцию плотности вероятности . Система связи, подверженная тепловому шуму, часто моделируется как канал аддитивного белого гауссова шума (AWGN).

Дробовой шум [ править ]

Основная статья: Дробовой шум

Дробовой шум в электронных устройствах возникает в результате неизбежных случайных статистических флуктуаций электрического тока, когда носители заряда (например, электроны) проходят через зазор. Если электроны перетекают через барьер, они имеют дискретное время прибытия. Эти дискретные прибытия демонстрируют дробовой шум. Обычно используется барьер в диоде. [3] Дробовой шум похож на шум, создаваемый дождем, падающим на жестяную крышу. Поток дождя может быть относительно постоянным, но отдельные капли дождя прибывают дискретно.

Среднеквадратичное значение тока дробового шума i n определяется формулой Шоттки.

где I - постоянный ток, q - заряд электрона, а Δ B - ширина полосы частот в герцах. Формула Шоттки предполагает независимое прибытие.

В вакуумных трубках наблюдается дробовой шум, потому что электроны беспорядочно покидают катод и попадают на анод (пластину). Лампа может не демонстрировать эффект полного дробового шума: наличие пространственного заряда имеет тенденцию сглаживать время прихода (и, таким образом, уменьшать случайность тока). Пентоды и тетроды с экранной сеткой демонстрируют больше шума, чем триоды, потому что катодный ток случайным образом распределяется между экранной сеткой и анодом.

Проводники и резисторы обычно не демонстрируют дробового шума, потому что электроны термализуются и диффузно перемещаются внутри материала; электроны не имеют дискретных времен прихода. Дробовой шум был продемонстрирован в мезоскопических резисторах, когда размер резистивного элемента становится меньше длины электрон-фононного рассеяния. [4]

Мерцающий шум [ править ]

Основные статьи: фликкер-шум и 1 / f-шум

Фликкер-шум, также известный как шум 1 / f , представляет собой сигнал или процесс с частотным спектром, который постепенно спадает к более высоким частотам с розовым спектром. Это происходит почти во всех электронных устройствах и возникает в результате множества эффектов.

Взрывной шум [ править ]

Основная статья: Взрывной шум

Всплеск шума состоит из внезапных ступенчатых переходов между двумя или более дискретными уровнями напряжения или тока, достигающими нескольких сотен микровольт , в случайные и непредсказуемые моменты времени. Каждое изменение напряжения смещения или тока длится от нескольких миллисекунд до секунд. Шум попкорна также известен из- за хлопков или потрескивания, которые он производит в аудиосхемах.

Временной шум [ править ]

Если время, необходимое электронам для прохождения от эмиттера к коллектору в транзисторе, становится сопоставимым с периодом усиливаемого сигнала, то есть на частотах выше VHF и выше, имеет место эффект времени прохождения и входное сопротивление шума транзистор убывает. От частоты, на которой этот эффект становится значительным, он увеличивается с частотой и быстро доминирует над другими источниками шума. [5]

Связанный шум [ править ]

См. Также: Электромагнитная совместимость.

В то время как шум может быть сгенерирован в самой электронной схеме, дополнительная энергия шума может быть соединена в цепь из внешней среды, посредством индуктивной связи или емкостной связью , или через антенну в виде радиоприемника .

Источники [ править ]

Интермодуляционный шум
Возникает, когда сигналы разных частот используют одну и ту же нелинейную среду.
Перекрестные помехи
Явление, при котором сигнал, передаваемый в одной цепи или канале системы передачи, создает нежелательные помехи для сигнала в другом канале.
Вмешательство
Модификация или нарушение сигнала, распространяющегося по среде
Атмосферный шум
Также называемый статическим шумом, он вызывается грозовыми разрядами во время грозы и другими электрическими помехами, возникающими в природе, такими как коронный разряд .
Промышленный шум
Источники, такие как автомобили, самолеты, электродвигатели зажигания и коммутационные устройства, высоковольтные провода и люминесцентные лампы, вызывают промышленный шум. Эти шумы возникают из-за разряда, присутствующего во всех этих операциях.
Солнечный шум
Шум, исходящий от Солнца , называется солнечным шумом . В нормальных условиях солнечное излучение из-за его высокой температуры примерно постоянно , но солнечные бури могут вызывать различные электрические помехи. Интенсивность солнечного шума меняется со временем в солнечном цикле .
Космический шум
Далекие звезды создают шум, называемый космическим шумом. Хотя эти звезды слишком далеки, чтобы индивидуально влиять на наземные 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. Небольшой космический шум ниже 20 МГц проникает в ионосферу, в то время как его возможное исчезновение на частотах выше 1,5 ГГц, вероятно, определяется механизмами его генерации и его поглощением водородом в межзвездном пространстве. [ необходима цитата ]

Смягчение [ править ]

Во многих случаях шум, обнаруживаемый в сигнале в цепи, является нежелательным. Существует множество различных методов снижения шума, которые могут уменьшить шум, воспринимаемый схемой.

  1. Клетка Фарадея - Клетка Фарадея, охватывающая цепь, может использоваться для изоляции цепи от внешних источников шума. Клетка Фарадея не может воздействовать на источники шума, которые возникают в самой цепи или на ее входах, включая источник питания.
  2. Емкостная связь - Емкостная связь позволяет сигналу переменного тока из одной части цепи улавливаться в другой части за счет взаимодействия электрических полей. В случае непреднамеренной связи последствия можно устранить за счет улучшенной компоновки схемы и заземления.
  3. Контуры заземления - при заземлении цепи важно избегать контуров заземления . Контуры заземления возникают при разнице напряжений между двумя соединениями заземления. Хороший способ исправить это - подвести все провода заземления к одинаковому потенциалу на шине заземления.
  4. Экранированные кабели - экранированный кабель можно рассматривать как клетку Фарадея для проводки, которая может защитить провода от нежелательного шума в чувствительной цепи. Чтобы экран был эффективным, он должен быть заземлен. Заземление экрана только на одном конце позволяет избежать контура заземления на экране.
  5. Проводка витой парой - скручивание проводов в цепи снижает электромагнитный шум. Скручивание проводов уменьшает размер петли, в которой может проходить магнитное поле, вызывая ток между проводами. Между скрученными вместе проводами могут существовать небольшие петли, но магнитное поле, проходящее через эти петли, индуцирует ток, протекающий в противоположных направлениях в чередующихся петлях на каждом проводе, и поэтому чистый шумовой ток отсутствует.
  6. Notch-фильтры - Notch-фильтры или режекторные фильтры полезны для устранения определенной частоты шума. Например, линии электропередач в здании работают с частотой сети 50 или 60 Гц . Чувствительная схема воспримет эту частоту как шум. Режекторный фильтр, настроенный на частоту линии, может удалить шум.

Количественная оценка [ править ]

Уровень шума в электронной системе обычно измеряется в качестве электрической мощности N в Вт или дБм , в среднем квадратного корня (RMS) напряжения (идентичного шума стандартное отклонение ) в вольтах, дБмкВ или среднеквадратичной ошибки (MSE) в вольтах в квадрате. Примеры единиц измерения уровня электрического шума: dBu , dBm0 , dBrn , dBrnC и dBrn ( f 1 - f 2 ), dBrn (144 линия ). Шум также можно охарактеризоватьраспределение вероятностей и спектральная плотность шума N 0 ( f ) в ваттах на герц.

Шумовой сигнал обычно рассматривается как линейное дополнение к полезному информационному сигналу. Типичными показателями качества сигнала, связанными с шумом, являются отношение сигнал / шум (SNR или S / N ), отношение сигнал / шум квантования (SQNR) при аналого-цифровом преобразовании и сжатии, пиковое отношение сигнал / шум (PSNR). ) в кодировании изображения и видео и коэффициент шума в каскадных усилителях. В аналоговой системе связи с полосой пропускания с модулированной несущей, определенное отношение несущей к шуму (CNR) на входе радиоприемника приведет к определенному отношению сигнал / шум в обнаруженном сигнале сообщения. В системе цифровой связи определеннаяE b / N 0 (нормализованное отношение сигнал / шум) приведет к определенной частоте ошибок по битам . Телекоммуникационные системы стремятся увеличить отношение уровня сигнала к уровню шума, чтобы эффективно передавать данные. Шум в телекоммуникационных системах является продуктом как внутренних, так и внешних источников системы.

Шум - это случайный процесс, который характеризуется такими стохастическими свойствами, как его дисперсия , распределение и спектральная плотность . Спектральное распределение шума может изменяться 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, напряжение шума (плотность) можно описать, взяв квадратный корень из плотности мощности шума, что дает вольт на корень герц ( ). Устройства на интегральных схемах , такие как операционные усилители, обычно указывают эквивалентный входной шум. уровень в этих условиях (при комнатной температуре).

Дизеринг [ править ]

Если источник шума коррелирован с сигналом, например, в случае ошибки квантования , преднамеренное 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 [ править ]

  • Активный контроль шума для снижения шума за счет отмены
  • Цвета шума
  • Открытие космического микроволнового фонового излучения
  • Обнаружение и исправление ошибок цифровых сигналов, подверженных шуму
  • Генерация-рекомбинационный шум
  • Согласованный фильтр для шумоподавления в модемах
  • Шум (обработка сигнала)
  • Подавление шума и для аудио и изображений
  • Фононный шум

Заметки [ править ]

  1. ^ Например, перекрестные помехи , преднамеренные помехи или другие нежелательные электромагнитные помехи от определенных передатчиков.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Motchenbacher, CD; Коннелли, Дж. А. (1993). Конструкция электронной системы с низким уровнем шума . Wiley Interscience. ISBN 0-471-57742-1.
  2. ^ Киш, LB; Гранквист, CG (ноябрь 2000 г.). «Шум в нанотехнологиях». Надежность микроэлектроники . Эльзевир. 40 (11): 1833–1837. DOI : 10.1016 / S0026-2714 (00) 00063-9 .
  3. ↑ Отт, Генри В. (1976), Методы шумоподавления в электронных системах , Джон Вили, стр. 208, 218, ISBN 0-471-65726-3
  4. ^ Штейнбах, Эндрю; Мартинис, Джон; Деворе, Мишель (1996-05-13). «Наблюдение дробового шума горячих электронов в металлическом резисторе». Phys. Rev. Lett . 76 (20): 38,6–38,9. Bibcode : 1996PhRvL..76 ... 38M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.76.38 . PMID 10060428 . 
  5. ^ Теория коммуникации . Технические публикации. 1991. С. 3–6. ISBN 9788184314472.
  •  Эта статья включает  материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .(в поддержку MIL-STD-188 )

Дальнейшее чтение [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

  • Активный фильтр (Sallen & Key) Исследование шума
  • Калькулятор белого шума, тепловой шум - напряжение в микровольтах, преобразование в уровень шума в дБн и дБВ и наоборот