Войти
Аналоговое отображение случайных колебаний напряжения в розовом шуме.В электронике шум - это нежелательное нарушение электрического сигнала. Шум, создаваемый электронными устройствами, сильно различается, так как 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, обычно отличается от помех, например, с помощью отношения сигнал / шум (SNR), отношения сигнал / помеха (SIR) и отношение сигнал-шум плюс помеха (SNIR). Шум также обычно отличается от искажения, которое представляет собой нежелательное систематическое изменение формы волны сигнала оборудованием связи, например, в отношении сигнал-шум и искажение (SINAD) и Общее гармоническое искажение плюс шум (THD + N).
Хотя шум обычно нежелателен, он может быть полезен в некоторых приложениях, таких как генерация случайных чисел или дизеринг.
Различные типы шума генерируется разными устройствами и разными процессами. Тепловой шум неизбежен при ненулевой температуре (см. теорема о флуктуации-диссипации ), тогда как другие типы зависят в основном от типа устройства (например, дробовой шум, который необходим высокий потенциальный барьер) или качество изготовления и дефекты полупроводников, такие как колебания проводимости, включая 1 / f-шум.
шум Джонсона – Найквиста (чаще тепловой шум) неизбежен и генерируется случайным тепловым движением носителей заряда (обычно электронов ) внутри электрического проводника, что происходит независимо от приложенного напряжения.
Тепловой шум составляет приблизительно белый, 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 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 перегородка в диоде. 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 ΔB - полоса пропускания в герцах. Формула Шоттки предполагает независимое прибытие.
Вакуумные лампы демонстрируют 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, поскольку катодный ток случайным образом распределяется между экранной сеткой и анодом.
Проводники и резисторы обычно не проявляют дробового шума, потому что электроны термализуются и диффузно перемещаются внутри материала; электроны не имеют дискретных времен прибытия. Дробовой шум был продемонстрирован в мезоскопических резисторах, когда размер резистивного элемента становится меньше длины электрон-фононного рассеяния.
Фликкер-шум, также известный как 1 / f-шум - это сигнал или процесс с частотным спектром, который постепенно спадает к более высоким частотам, со спектром розового. Это происходит почти во всех электронных устройствах и возникает в результате множества эффектов.
Всплеск шума состоит из внезапных скачкообразных переходов между двумя или более дискретными уровнями напряжения или тока, достигающими нескольких сотен микровольт, случайных и непредсказуемых раз. 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 аудиосистемах.
Если время, необходимое электронам, чтобы пройти от эмиттера до коллектора 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 транзистора уменьшается. От частоты, на которой этот эффект становится значительным, он увеличивается с частотой и быстро доминирует над другими источниками шума.
Хотя шум может генерироваться в самой электронной схеме, дополнительная энергия шума может быть подключен к цепи из внешней среды с помощью индуктивной связи или емкостной связи, или через антенну радиоприемника .
Во многих случаях шум, обнаруженный в сигнале в цепи, является нежелательным. Существует множество различных методов уменьшения шума, которые могут уменьшить шум, воспринимаемый схемой.
уровень шума в электронной системе обычно измеряется как электрическая мощность Н в ваттах или дБм, среднеквадратичное (RMS) напряжение (идентичное шумовому стандартному отклонению ) в вольтах, дБмкВ или среднеквадратичная ошибка (MSE) в вольтах в квадрате. Примеры единиц измерения уровня электрического шума: dBu, dBm0, dBrn, dBrnC и dBrn (f 1 - f 2), дБрн (144- строка ). Шум также может быть охарактеризован его распределением вероятностей и спектральной плотностью N0(f) шума в ваттах на герц.
Шумовой сигнал обычно рассматривается как линейное дополнение к полезному информационному сигналу. Типичными показателями качества сигнала, связанного с шумом, являются отношение сигнал / шум (SNR или S / N), отношение сигнал / шум квантования (SQNR) в аналоговом -цифровое преобразование и сжатие, пиковое отношение сигнал / шум (PSNR) при кодировании изображения и видео и коэффициент шума в каскадных усилителях. В системе аналоговой связи с модулированной несущей с полосой пропускания определенное отношение несущей к шуму (CNR) на входе радиоприемника приведет к определенному отношению сигнал / шум в обнаруженном сигнале сообщения. В цифровой системе связи определенное значение E b/N0(нормализованное отношение сигнал / шум) приведет к определенной частоте ошибок по битам. Телекоммуникационные системы стремятся увеличить соотношение 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, характеризующийся стохастическими свойствами, такими 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, шумовое напряжение (плотность) можно описать, извлекая квадратный корень из плотности мощности шума, что дает вольт на корень герц ( 
Если источник шума коррелирован с сигналом, например, в случае ошибки квантования, преднамеренное введение дополнительного шума, называемого дизерингом, может снизить общий шум в интересующей полосе пропускания. Этот метод позволяет извлекать сигналы ниже номинального порога обнаружения прибора. Это пример стохастического резонанса.
Эта статья включает материалы общественного достояния из документа General Services Administration : «Федеральный стандарт 1037C».(в поддержку MIL-STD-188 )