stringtranslate.com

Шум (электроника)

Случайные колебания напряжения в розовом шуме

В электронике шум — это нежелательное нарушение электрического сигнала. [ 1] : 5 

Шум, создаваемый электронными устройствами, сильно различается, поскольку он возникает под воздействием различных факторов.

В частности, шум присущ физике и является центральным элементом термодинамики . Любой проводник с электрическим сопротивлением будет изначально генерировать тепловой шум. Окончательное устранение теплового шума в электронике может быть достигнуто только криогенным путем , и даже тогда квантовый шум останется присущ.

Электронный шум является распространенным компонентом шума при обработке сигналов .

В системах связи шум — это ошибка или нежелательное случайное возмущение полезного информационного сигнала в канале связи . Шум — это сумма нежелательной или мешающей энергии от естественных и иногда искусственных источников. Однако шум обычно отличается от помех , [a] например, по показателям отношения сигнал/шум (SNR), отношения сигнал/помеха (SIR) и отношения сигнал/шум плюс помеха (SNIR). Шум также обычно отличается от искажения , которое является нежелательным систематическим изменением формы сигнала оборудованием связи, например, по показателям отношения сигнал/шум и искажение (SINAD) и общего гармонического искажения плюс шум (THD+N).

Хотя шум, как правило, нежелателен, в некоторых приложениях он может быть полезен, например, для генерации случайных чисел или дизеринга .

Некоррелированные источники шума добавляются в соответствии с суммой их мощностей. [2]

Типы шума

Различные типы шума генерируются различными устройствами и различными процессами. Тепловой шум неизбежен при ненулевой температуре (см. теорему о флуктуации-диссипации ), в то время как другие типы зависят в основном от типа устройства (например, дробовой шум , [1] [3], которому необходим крутой потенциальный барьер) или качества изготовления и дефектов полупроводника , таких как флуктуации проводимости, включая шум 1/f .

Тепловой шум

Шум Джонсона-Найквиста [1] (чаще тепловой шум) неизбежен и возникает в результате случайного теплового движения носителей заряда (обычно электронов ) внутри электрического проводника , которое происходит независимо от приложенного напряжения .

Тепловой шум приблизительно белый , что означает, что его спектральная плотность мощности почти одинакова по всему спектру частот . Амплитуда сигнала имеет очень близкую к гауссовой функцию плотности вероятности . Система связи, подверженная тепловому шуму, часто моделируется как канал аддитивного белого гауссовского шума (AWGN).

Шум выстрела

Дробовой шум в электронных устройствах возникает из-за неизбежных случайных статистических флуктуаций электрического тока , когда носители заряда (например, электроны) пересекают зазор. Если электроны текут через барьер, то они имеют дискретное время прибытия. Эти дискретные прибытия демонстрируют дробовой шум. Обычно используется барьер в диоде. [4] Дробовой шум похож на шум, создаваемый дождем, падающим на жестяную крышу. Поток дождя может быть относительно постоянным, но отдельные капли дождя падают дискретно. [5]

Среднеквадратичное значение тока дробового шума i n определяется по формуле Шоттки.

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

Электронные лампы демонстрируют дробовой шум, поскольку электроны случайным образом покидают катод и попадают на анод (пластину). Лампа может не демонстрировать полный эффект дробового шума: наличие пространственного заряда имеет тенденцию сглаживать время прибытия (и, таким образом, уменьшать случайность тока). Пентоды и тетроды с экранной сеткой демонстрируют больше шума, чем триоды, поскольку катодный ток случайным образом разделяется между экранной сеткой и анодом.

Проводники и резисторы обычно не демонстрируют дробовой шум, поскольку электроны термализуются и движутся диффузно внутри материала; электроны не имеют дискретного времени прибытия. Дробовой шум был продемонстрирован в мезоскопических резисторах, когда размер резистивного элемента становится короче длины рассеяния электронов на фононах. [6]

Шум перегородки

Там, где ток разделяется между двумя (или более) путями, [7] возникает шум в результате случайных колебаний, которые происходят во время этого разделения.

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

Шум мерцания

Шум мерцания, также известный как шум 1/ f , представляет собой сигнал или процесс с частотным спектром, который постепенно спадает в сторону более высоких частот, с розовым спектром. Он встречается почти во всех электронных устройствах и является результатом различных эффектов.

Шумовой взрыв

Импульсный шум 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 смещение напряжения или тока смещения длится от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. Он также известен как попкорновый шум из-за хлопающих или потрескивающих звуков, которые он производит в аудиосхемах.

Шум времени прохождения

Если время, необходимое электронам для перемещения 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 шумовое сопротивление транзистора уменьшается. С частоты, на которой этот эффект становится значительным, он увеличивается с частотой и быстро доминирует над другими источниками шума. [8]

Связанный шум

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

Источники

Интермодуляционный шум
Возникает, когда сигналы разных частот находятся в одной и той же нелинейной среде.
Перекрестные помехи
Явление, при котором сигнал, передаваемый по одному контуру или каналу системы передачи, создает нежелательные помехи для сигнала в другом канале.
Вмешательство
Изменение или нарушение сигнала, проходящего по среде
Атмосферный шум
Также называемый статическим шумом, он вызывается разрядами молний во время гроз и другими электрическими возмущениями, возникающими в природе, такими как коронный разряд .
Промышленный шум
Такие источники, как автомобили, самолеты, электродвигатели зажигания и коммутационные устройства, высоковольтные провода и люминесцентные лампы вызывают промышленный шум. Эти шумы производятся разрядом, присутствующим во всех этих операциях.
Солнечный шум
Шум, который исходит от Солнца , называется солнечным шумом . В нормальных условиях излучение Солнца приблизительно постоянно 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 слишком далеки, чтобы по отдельности 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, причем последняя частота соответствует 21-сантиметровой линии водорода . Помимо искусственного шума, это самый сильный компонент в диапазоне примерно от 20 до 120 МГц. Небольшой космический шум ниже 20 МГц проникает в ионосферу, в то время как его окончательное исчезновение на частотах свыше 1,5 ГГц, вероятно, регулируется механизмами, генерирующими его, и его поглощением водородом в межзвездном пространстве. [ необходима цитата ]

Смягчение

Во многих случаях шум, обнаруженный в сигнале в цепи, является нежелательным. Существует много различных методов шумоподавления, которые могут уменьшить шум, улавливаемый цепью.

  1. Клетка Фарадея – Клетка Фарадея, охватывающая схему, может использоваться для изоляции схемы от внешних источников шума. Клетка Фарадея не может устранять источники шума, которые возникают в самой схеме или поступают на ее входы, включая источник питания.
  2. Емкостная связь – Емкостная связь позволяет сигналу переменного тока из одной части цепи быть полученным в другой части посредством взаимодействия электрических полей. Там, где связь непреднамеренная, эффекты можно устранить путем улучшения схемы и заземления.
  3. Контуры заземления – При заземлении цепи важно избегать контуров заземления . Контуры заземления возникают, когда между двумя заземляющими соединениями возникает разность потенциалов. Хороший способ исправить это – привести все заземляющие провода к одному и тому же потенциалу в шине заземления.
  4. Экранирование кабелей – Экранированный кабель можно рассматривать как клетку Фарадея для проводки, он может защитить провода от нежелательных помех в чувствительной цепи. Для эффективности экран должен быть заземлен. Заземление экрана только с одного конца может предотвратить образование контура заземления на экране.
  5. Витая пара проводов – скручивание проводов в цепи уменьшит электромагнитный шум. 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, и поэтому нет чистого тока шума.
  6. Режекторные фильтры – Режекторные фильтры или режекторные фильтры полезны для устранения определенной частоты шума. Например, линии электропередач внутри здания работают на частоте линии 50 или 60 Гц . Чувствительная схема воспримет эту частоту как шум. Режекторный фильтр, настроенный на частоту линии, может удалить шум.

Тепловой шум можно уменьшить путем охлаждения цепей — обычно это применяется только в высокоточных дорогостоящих устройствах, таких как радиотелескопы.

Количественная оценка

Уровень шума в электронной системе обычно измеряется как электрическая мощность N в ваттах или дБм , среднеквадратичное (RMS) напряжение (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- линия ). Шум также может быть охарактеризован его распределением вероятности и спектральной плотностью шума N 0 ( f ) в ваттах на герц.

Шумовой сигнал обычно рассматривается как линейное дополнение к полезному информационному сигналу. Типичными мерами 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 коэффициент шума в каскадных усилителях. В аналоговой системе связи с модулированной несущей 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 E b / N 0 (нормализованное отношение сигнал/шум) приведет к определенной частоте ошибок по битам . Телекоммуникационные системы стремятся увеличить отношение уровня сигнала к уровню шума для эффективной передачи данных. Шум в телекоммуникационных системах является продуктом 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, напряжение (плотность) шума можно описать, взяв квадратный корень из плотности мощности шума, что дает вольты на корень герц ( ). Интегральные микросхемы , 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 , 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 .

Смотрите также

Примечания

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

Ссылки

  1. ^ abc Motchenbacher, CD; Connelly, JA (1993). Проектирование малошумящих электронных систем . Wiley Interscience. ISBN 0-471-57742-1.
  2. ^ Sobering, Tim J. (1999). "Шум в электронных системах" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2023-05-20 . Получено 07.04.2024 .
  3. ^ Киш, Л. Б.; Гранквист, К. Г. (ноябрь 2000 г.). «Шум в нанотехнологиях». Надежность микроэлектроники . 40 (11). Elsevier: 1833–1837. doi :10.1016/S0026-2714(00)00063-9.
  4. ^ Отт, Генри В. (1976), Методы снижения шума в электронных системах , John Wiley, стр. 208, 218, ISBN 0-471-65726-3
  5. ^ MacDonald, DKC (2006), Шум и флуктуации: Введение , Dover Publications Inc, стр. 2, ISBN 0-486-45029-5
  6. ^ Steinbach, Andrew; Martinis, John; Devoret, Michel (1996-05-13). «Наблюдение за шумом 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.
  7. ^ "Шум раздела" . Получено 2021-11-05 .
  8. ^ Теория коммуникации. Технические публикации. 1991. С. 3–6. ISBN 9788184314472.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки