В электронике шум — это нежелательное искажение электрического сигнала. [1] : 5
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 , [a] например, по показателям 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 .
Различные типы шума генерируются разными устройствами и разными процессами. Тепловой шум неизбежен при ненулевой температуре (см. Теорему о флуктуационно-диссипации ), в то время как другие типы зависят в основном от типа устройства (например, дробовой шум , [1] [2] для которого необходим крутой потенциальный барьер) или качества изготовления и дефектов полупроводника . , такие как флуктуации проводимости, включая шум 1/f .
Шум Джонсона-Найквиста [1] (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).
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. [3] Шум выстрелов аналогичен шуму, создаваемому дождем, падающим на жестяную крышу. Поток дождя может быть относительно постоянным, но отдельные капли дождя прибывают дискретно. [4]
Среднеквадратичное значение тока дробового шума in определяется формулой Шоттки.
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 случайность тока). Пентоды и тетроды с экранной сеткой 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. [5]
Когда ток разделяется между двумя (или более) путями, [6] возникает шум в результате случайных флуктуаций, возникающих во время этого разделения.
По этой причине транзистор будет иметь больше шума, чем суммарный дробовой шум двух его PN-переходов.
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.
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.
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. [7]
Хотя шум может генерироваться в самой электронной схеме, дополнительная энергия шума может поступать в схему из внешней среды посредством индуктивной или емкостной связи или через антенну радиоприемника .
Во многих случаях шум, обнаруженный в сигнале в цепи, нежелателен. Существует множество различных методов шумоподавления, которые могут уменьшить шум, улавливаемый схемой.
Тепловой шум можно уменьшить за счет охлаждения цепей - обычно это используется только в высокоточных дорогостоящих приложениях, таких как радиотелескопы.
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 ( ). Устройства на интегральных схемах , такие как операционные усилители, обычно указывают эквивалентный уровень входного шума в этих терминах (при комнатной температуре).
Если источник шума коррелирует 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 .