Шум (обработка сигнала)

При обработке сигналов нежелательные модификации сигнала

В обработке сигналов шум — это общий термин для обозначения нежелательных (и, как правило, неизвестных) модификаций, которым может подвергнуться сигнал во время захвата, хранения, передачи, обработки или преобразования. ^[1]

Иногда это слово также используется для обозначения случайных ( непредсказуемых ) сигналов , не несущих никакой полезной информации ; даже если они не мешают другим сигналам или могут быть введены намеренно, как в случае с комфортным шумом .

Снижение шума , восстановление исходного сигнала из искаженного шумом, является очень распространенной целью при проектировании систем обработки сигналов, особенно фильтров . Математические пределы удаления шума установлены теорией информации .

Виды шума

Шум обработки сигнала можно классифицировать по его статистическим свойствам (иногда называемым « цветом » шума) и по тому, как он изменяет целевой сигнал:

• Аддитивный шум добавляется к предполагаемому сигналу.
  • белый шум
    • Аддитивный белый гауссов шум
  • Черный шум
  • Гауссов шум
  • Розовый шум или мерцающий шум со спектром мощности 1/ f .
  • Броуновский шум со спектром мощности 1/ f ²
  • Загрязненный гауссов шум, PDF которого представляет собой линейную смесь гауссовских PDF.
  • Степенной шум
  • Шум Коши
• Мультипликативный шум умножает или модулирует целевой сигнал.
• Ошибка квантования из-за преобразования непрерывных значений в дискретные.
• Шум Пуассона , типичный для сигналов, которые представляют собой частоту дискретных событий.
• Дробовой шум , например, вызванный разрядом статического электричества
• Переходный шум , короткий импульс, за которым следуют затухающие колебания.
• Взрывной шум , мощный, но только в короткие промежутки времени.
• Фазовый шум , случайные временные сдвиги в сигнале

Шум в определенных видах сигналов

Шумы могут возникать в сигналах, представляющих интерес для различных областей науки и техники, часто имеющих специфические особенности:

• Шум (аудио) , например «шипение» или «гул», в аудиосигналах.
  • Фоновый шум из-за паразитных звуков во время захвата сигнала.
  • Комфортный шум , добавленный к голосовой связи, чтобы заполнить пробелы в тишине.
  • Электромагнитно-индуцированный шум , слышимый шум, вызванный электромагнитными вибрациями в системах с участием электромагнитных полей.
• Шум (видео) , типа "снег"
• Шум (радио) , например «статический», в радиопередачах.
• Шум изображения влияет на изображения, обычно цифровые.
  • Шум соли и перца или пиковый шум, разбросанные очень темные или очень светлые пиксели.
  • Исправлен шаблонный шум , привязанный к пиксельным датчикам.
  • Теневой шум , который становится видимым при увеличении яркости или контрастности.
  • Спекл-шум , типичный для радиолокационных изображений и интерферограмм.
  • Зерно пленки в аналоговой фотографии
  • Артефакты сжатия или «москитный шум» по краям в JPEG и других форматах.
• Шум (электроника) в электрических сигналах
  • Шум Джонсона – Найквиста в полупроводниках.
  • Квантовый шум
  • Квантовый 1/f-шум , спорная теория квантовых систем
  • Генерационный-рекомбинационный шум в полупроводниковых приборах.
  • Фазовый шум генератора , случайные колебания фазы генератора.
  • Эффект Баркгаузена или шум Баркгаузена в силе ферромагнетика.
  • Спектральные брызги или шум переключения, вызванный включением/выключением передатчика
  • Шум земли , возникающий на клемме заземления аудиоаппаратуры.
• Синаптический шум , наблюдаемый в нейробиологии
• Нейронный шум , наблюдаемый в нейробиологии
• Транскрипционный шум при транскрипции генов в белки
• Космический шум в радиоастрономии.
• Фононный шум в материаловедении
• Фоновый интернет-шум , пакеты отправляются на неназначенные или неактивные IP-адреса.
• Шум Фано в детекторах частиц
• Шум разделения мод в оптических кабелях
• Сейсмический шум , паразитные колебания грунта в сейсмологии.
• Космический микроволновый фон , микроволновый шум, оставшийся от Большого взрыва

Меры шума в сигналах

Для измерения шума при обработке сигналов был определен длинный список показателей шума: в абсолютном выражении, относительно некоторого стандартного уровня шума или относительно желаемого уровня сигнала. Они включают:

• Динамический диапазон , часто определяемый уровнем собственного шума.
• Отношение сигнал/шум (SNR), отношение мощности шума к мощности сигнала
  • Пиковое отношение сигнал/шум , максимальное соотношение сигнал/шум в системе
  • Отношение сигнал/шум (изображение) для изображений
  • Отношение несущей к шуму , отношение сигнал/шум модулированного сигнала.
• Мощность шума
• Коэффициент шума
• Шумоэквивалентная плотность потока , мера шума в астрономии.
• Шумный этаж
• Запас шума — насколько сигнал превышает уровень шума.
• Эталонный шум — эталонный уровень электронного шума.
• Спектральная плотность шума , мощность шума на единицу полосы пропускания
• Шумовая температура
• Эффективная входная шумовая температура
• Шумоэквивалентная мощность , мера чувствительности фотодетекторов.
• Относительная интенсивность шума в лазерном луче
• Шумовая температура антенны , мера шума в телекоммуникационной антенне.
• Мощность принятого шума , шум на телекоммуникационном приемнике
• Уровень шума цепи , отношение шума цепи к некоторому эталонному уровню.
• Уровень шума канала , некоторая мера шума в канале связи.
• Шумоэквивалентная цель, интенсивность цели при уровне сигнал/шум, равном 1 ^[2]
• Эквивалентное шумовое сопротивление , мера шума, основанная на эквивалентном резисторе.
• Плотность шума несущей-приемника , отношение принимаемой мощности несущей к шуму приемника.
• Отношение плотности несущей к шуму ,
• Спектральное соотношение сигнал/шум
• Температура коэффициента усиления антенны к шуму , мера характеристик антенны.
• Отношение контрастности к шуму — показатель качества изображения.
• Шумовой отпечаток , статистическая характеристика окружающего шума для его подавления.
• Эквивалентный шум импульсно-кодовой модуляции , мера шума по сравнению с шумом квантования PCM.

Технология устранения шума в сигналах

Почти каждая техника и устройство для обработки сигналов так или иначе связаны с шумом. Вот несколько случайных примеров:

• Формирование шума
• Антенный анализатор или шумовой мост, используемый для измерения эффективности антенн.
• Шумовой гейт
• Генератор шума — схема, вырабатывающая случайный электрический сигнал.
• Источник радиошума , используемый для калибровки радиотелескопов.
• Формулы Фрииса для шума в телекоммуникациях
• Рефлектометрия в шумовой области использует существующие сигналы для поиска неисправностей кабеля.
• Помехоустойчивая оптическая гетеродинная молекулярная спектроскопия с усиленным резонатором

Смотрите также

• Антиинформация
• Шум (электроника)
• Статистика отношения сигнал/шум — математическая формула для измерения разницы двух значений относительно их стандартных отклонений.

Рекомендации

1. Вячеслав Тузлуков (2010), Серия «Шум обработки сигналов , электротехника и прикладная обработка сигналов», CRC Press. 688 страниц. ISBN  9781420041118
2. Вивиана Владутеску, Даниэла. «Системная инженерия для космических приложений» (PDF) . www.ieee.li. _ CAS IEEE, секция Лонг-Айленда . Проверено 26 марта 2023 г.