Gürültü (elektronik) - Noise (electronics)
Elektronikte gürültü , elektrik sinyalinde istenmeyen bir rahatsızlıktır. Elektronik cihazların ürettiği gürültü, birkaç farklı efektle üretildiğinden büyük ölçüde değişiklik gösterir.
Olarak iletişim sistemleri , gürültü, bir hata ya da yararlı bilgiler istenmeyen rasgele rahatsızlık olan sinyal . Gürültü, doğal ve bazen insan yapımı kaynaklardan gelen istenmeyen veya rahatsız edici enerjinin bir toplamıdır. Bununla birlikte, gürültü tipik olarak , örneğin sinyal-gürültü oranı (SNR), sinyal-girişim oranı (SIR) ve sinyal-gürültü artı girişim oranı (SNIR) ölçümlerinde girişimden ayırt edilir . Gürültü ayrıca tipik olarak , örneğin sinyal-gürültü ve bozulma oranı (SINAD) ve toplam harmonik bozulma artı gürültü (THD + N) ölçümlerinde , iletişim ekipmanı tarafından sinyal dalga biçiminin istenmeyen sistematik bir değişikliği olan bozulmadan ayırt edilir .
Gürültü türleri
Farklı cihazlar ve farklı işlemler tarafından farklı türde gürültüler üretilir. Termal gürültü , sıfır olmayan sıcaklıkta kaçınılmazdır ( dalgalanma-yayılma teoremine bakın ), diğer türler çoğunlukla cihaz tipine ( dik bir potansiyel bariyere ihtiyaç duyan atış gürültüsü gibi ) veya üretim kalitesine ve iletkenlik dalgalanmaları gibi yarı iletken kusurlarına bağlıdır. 1 / f gürültü dahil .
Termal gürültü
Johnson-Nyquist gürültüsü (daha çok termal gürültü) kaçınılmazdır ve uygulanan herhangi bir voltajdan bağımsız olarak bir elektrik iletkeni içindeki yük taşıyıcılarının (genellikle elektronlar ) rastgele termal hareketi tarafından oluşturulur .
Termal gürültü yaklaşık olarak beyazdır , yani güç spektral yoğunluğu frekans spektrumu boyunca neredeyse eşittir . Sinyalin genliği, neredeyse bir Gauss olasılık yoğunluğu fonksiyonuna sahiptir . Termal gürültüden etkilenen bir iletişim sistemi genellikle ek bir beyaz Gauss gürültüsü (AWGN) kanalı olarak modellenir .
Atış sesi
Elektronik cihazlardaki atış gürültüsü , yük taşıyıcıları (elektronlar gibi) bir boşluktan geçerken elektrik akımının kaçınılmaz rastgele istatistiksel dalgalanmalarından kaynaklanır . Elektronlar bir engelden geçerse, farklı varış sürelerine sahip olurlar. Bu ayrı gelenler atış gürültüsü sergiliyor. Tipik olarak, bir diyottaki bariyer kullanılır. Atış sesi, teneke bir çatıya düşen yağmurun yarattığı sese benzer. Yağmur akışı nispeten sabit olabilir, ancak tek tek yağmur damlaları farkedilmeden gelir.
Çekimin kök-ortalama-kare değeri gürültü akımı i n Schottky formül ile verilir.
burada I DC akımı, q bir elektronun yükü ve Δ B , hertz cinsinden bant genişliğidir. Schottky formülü bağımsız gelişleri varsayar.
Vakum tüpleri , elektronlar katodu rastgele terk edip anoda (plakaya) ulaştıkları için atış gürültüsü sergiler. Bir tüp, tam atış gürültü etkisini sergilemeyebilir: bir uzay yükünün varlığı , varış sürelerini yumuşatma eğilimindedir (ve dolayısıyla akımın rasgeleliğini azaltır). Pentodlar ve ekran ızgaralı tetrotlar , triodlardan daha fazla gürültü sergiler çünkü katot akımı ekran ızgarası ve anot arasında rastgele bölünür.
İletkenler ve dirençler tipik olarak atış gürültüsü göstermezler çünkü elektronlar ısıl hale gelir ve malzeme içinde difüze olarak hareket eder; elektronların ayrı varış zamanları yoktur. Direnç elemanının boyutu elektron-fonon saçılma uzunluğundan daha kısa olduğunda mezoskopik dirençlerde atış gürültüsü gösterilmiştir .
Titreme sesi
1 / f gürültüsü olarak da bilinen titreşim gürültüsü, pembe spektrum ile sürekli olarak yüksek frekanslara düşen bir frekans spektrumuna sahip bir sinyal veya işlemdir . Hemen hemen tüm elektronik cihazlarda görülür ve çeşitli etkilerden kaynaklanır.
Patlama gürültüsü
Patlama gürültüsü , rastgele ve tahmin edilemeyen zamanlarda birkaç yüz mikrovolta kadar yüksek iki veya daha fazla ayrık voltaj veya akım seviyesi arasındaki ani adım benzeri geçişlerden oluşur . Ofset voltajındaki veya akımındaki her değişim birkaç milisaniyeden saniyeye kadar sürer. Aynı zamanda , ses devrelerinde ürettiği patlama veya çatırtı sesleri için bir patlamış mısır sesi olduğu da bilinir .
Geçiş süresi gürültüsü
Transistörde toplayıcıya yayıcıdan seyahat için elektronlar tarafından harcanan zaman, yukarıda frekanslarda, olduğu, büyütülen sinyali dönemi, karşılaştırılabilir hale gelirse , VHF ve ötesinde, transit zaman etkisi yer ve gürültü giriş empedansı arasında sürer transistör azalır. Bu etkinin önemli hale geldiği frekanstan itibaren, frekansla artar ve diğer gürültü kaynaklarına hızla hakim olur.
Çift gürültü
Elektronik devrenin kendisinde gürültü üretilebilirken, ek gürültü enerjisi, endüktif kuplaj veya kapasitif kuplaj yoluyla veya bir radyo alıcısının anteni yoluyla harici ortamdan bir devreye bağlanabilir .
Kaynaklar
- İntermodülasyon gürültüsü
- Farklı frekanslardaki sinyaller aynı doğrusal olmayan ortamı paylaştığında ortaya çıkar.
- Crosstalk
- Bir iletim sisteminin bir devresinde veya kanalında iletilen bir sinyalin, başka bir kanaldaki bir sinyale istenmeyen parazit yarattığı olay.
- Girişim
- Bir ortam boyunca hareket eden bir sinyalin değiştirilmesi veya bozulması
- Atmosferik gürültü
- Statik gürültü olarak da adlandırılır , gök gürültülü fırtınalarda meydana gelen yıldırım deşarjları ve korona deşarjı gibi doğada meydana gelen diğer elektriksel rahatsızlıklardan kaynaklanır .
- Endüstriyel gürültü
- Otomobil, uçak, ateşleme elektrik motorları ve anahtarlama tertibatı, Yüksek gerilim kabloları ve flüoresan lambalar gibi kaynaklar endüstriyel gürültüye neden olur. Bu sesler, tüm bu işlemlerde mevcut olan deşarj tarafından üretilir.
- Güneş gürültüsü
- Güneş'ten kaynaklanan gürültüye güneş gürültüsü denir . Normal koşullar altında , yüksek sıcaklığı nedeniyle Güneş'ten yaklaşık olarak sabit radyasyon vardır , ancak güneş fırtınaları çeşitli elektriksel bozukluklara neden olabilir. Güneş gürültüsünün yoğunluğu bir güneş döngüsünde zamanla değişir .
- Kozmik gürültü
- Uzak yıldızlar, kozmik gürültü adı verilen gürültü üretir. Bu yıldızlar, karasal iletişim sistemlerini tek tek etkilemeyecek kadar uzakta olsalar da, büyük sayıları kayda değer kolektif etkilere yol açar. Kozmik gürültü, 21 cm'lik hidrojen hattına karşılık gelen son frekans olan 8 MHz'den 1.43 GHz'e kadar bir aralıkta gözlemlendi . İnsan yapımı gürültünün yanı sıra, yaklaşık 20 ila 120 MHz aralığında en güçlü bileşendir. 20 MHz'in altındaki küçük kozmik gürültü iyonosfere nüfuz ederken, 1,5 GHz'yi aşan frekanslarda nihai kaybolması muhtemelen onu üreten mekanizmalar ve yıldızlararası uzayda hidrojen tarafından emilimi tarafından yönetiliyor.
Azaltma
Çoğu durumda, bir devredeki bir sinyalde bulunan gürültü istenmeyen bir durumdur. Bir devre tarafından alınan gürültüyü azaltabilen birçok farklı gürültü azaltma tekniği vardır.
- Faraday kafesi - Devreyi harici gürültü kaynaklarından izole etmek için bir devreyi çevreleyen bir Faraday kafesi kullanılabilir. Faraday kafesi, devrenin kendisinden kaynaklanan veya güç kaynağı dahil girişlerinde taşınan gürültü kaynaklarını ele alamaz.
- Kapasitif kuplaj - Kapasitif kuplaj , devrenin bir kısmından gelen bir AC sinyalinin, elektrik alanlarının etkileşimi yoluyla başka bir kısımda alınmasına izin verir. Bağlantının istenmediği durumlarda, etkiler iyileştirilmiş devre yerleşimi ve topraklama yoluyla ele alınabilir.
- Toprak döngüleri - Bir devreyi topraklarken, toprak döngülerinden kaçınmak önemlidir . İki toprak bağlantısı arasında voltaj farkı olduğunda toprak döngüleri oluşur. Bunu düzeltmenin iyi bir yolu, tüm topraklama kablolarını bir topraklama veri yolundaki aynı potansiyele getirmektir.
- Ekranlama kabloları - Blendajlı bir kablo , kablolama için bir Faraday kafesi olarak düşünülebilir ve telleri hassas bir devrede istenmeyen gürültüden koruyabilir. Kalkanın etkili olması için topraklanması gerekir. Ekranı yalnızca bir uçta topraklamak, blendaj üzerinde topraklama döngüsünü önleyebilir.
- Bükülmüş çift kablolama - Bir devrede bükülen teller elektromanyetik gürültüyü azaltacaktır. Telleri bükmek, manyetik bir alanın kablolar arasında bir akım oluşturmak için geçebileceği döngü boyutunu azaltır. Birbirine bükülmüş teller arasında küçük döngüler olabilir, ancak bu döngülerden geçen manyetik alan, her bir teldeki alternatif döngülerde zıt yönlerde akan bir akımı indükler ve bu nedenle net gürültü akımı yoktur.
- Notch filtreleri - Notch filtreleri veya bant reddetme filtreleri , belirli bir gürültü frekansını ortadan kaldırmak için kullanışlıdır. Örneğin, bir bina içindeki güç hatları 50 veya 60 Hz hat frekansında çalışır . Hassas bir devre bu frekansı gürültü olarak algılar. Hat frekansına ayarlanmış bir çentik filtresi gürültüyü ortadan kaldırabilir.
Niceleme
Gürültü seviyesi bir elektronik sistem, tipik olarak bir elektrik olarak ölçülür güç N olarak watt veya dBm , bir kök ortalama kare (ses özdeş (RMS) gerilim standart sapma ) volt olarak, dBìV veya ortalama kare hatası volt (MSE) kare. Elektriksel gürültü seviyesi ölçüm birimlerinin örnekleri, dBu , dBm0 , DBRN , dBrnC ve DBRN ( f 1 - f 2 , DBRN (144-) hattı ). Gürültü aynı zamanda, hertz başına watt cinsinden olasılık dağılımı ve gürültü spektral yoğunluğu N 0 ( f ) ile de karakterize edilebilir .
Bir gürültü sinyali tipik olarak yararlı bir bilgi sinyaline doğrusal bir ekleme olarak kabul edilir. Gürültü içeren tipik sinyal kalitesi ölçümleri, sinyal-gürültü oranı (SNR veya S / N ), analogdan dijitale dönüştürme ve sıkıştırmada sinyal- niceleme gürültü oranı (SQNR) , en yüksek sinyal-gürültü oranıdır (PSNR ) görüntü ve video kodlamada ve basamaklı amplifikatörlerde gürültü şeklinde . Taşıyıcı ile modüle edilmiş geçiş bandı analog iletişim sisteminde, radyo alıcısı girişindeki belirli bir taşıyıcı-gürültü oranı (CNR), saptanan mesaj sinyalinde belirli bir sinyal-gürültü oranıyla sonuçlanacaktır. Bir dijital iletişim sisteminde, belirli bir E b / N 0 (normalleştirilmiş sinyal-gürültü oranı), belirli bir bit hata oranıyla sonuçlanacaktır . Telekomünikasyon sistemleri, verileri etkin bir şekilde aktarmak için sinyal seviyesinin gürültü seviyesine oranını artırmaya çalışır. Telekomünikasyon sistemlerindeki gürültü, sisteme hem iç hem de dış kaynakların bir ürünüdür.
Gürültü, varyansı , dağılımı ve spektral yoğunluğu gibi stokastik özelliklerle karakterize edilen rastgele bir süreçtir . Gürültünün spektral dağılımı frekansa göre değişebilir , bu nedenle güç yoğunluğu hertz başına watt (W / Hz) olarak ölçülür. Dirençli bir elemandaki güç, içinden geçen voltajın karesiyle orantılı olduğundan, gürültü voltajı (yoğunluk), gürültü güç yoğunluğunun karekökü alınarak tanımlanabilir ve bu da kök hertz ( ) başına volt ile sonuçlanır . İşlemsel amplifikatörler gibi entegre devre cihazları genellikle bu terimlerle (oda sıcaklığında) eşdeğer giriş gürültü seviyesini belirtir.
Titreme
Gürültü kaynağı böyle olduğu gibi sinyal ile ilişkili ise nicemleme hatası , ek gürültü kasıtlı tanıtımı denilen renk taklidi , ilgi bant genişliği genel gürültü azaltabilir. Bu teknik, bir enstrümanın nominal algılama eşiğinin altındaki sinyallerin alınmasına izin verir. Bu, stokastik rezonansın bir örneğidir .
Ayrıca bakınız
- İptal yoluyla gürültü azaltma için aktif gürültü kontrolü
- Gürültünün renkleri
- Kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun keşfi
- Gürültüye maruz kalan dijital sinyaller için hata algılama ve düzeltme
- Üretim-rekombinasyon gürültüsü
- Modemlerde gürültü azaltma için eşleşen filtre
- Gürültü (sinyal işleme)
- Gürültü azaltma ve ses ve görüntüler için
- Fonon gürültüsü
Notlar
Referanslar
daha fazla okuma
- Sh. Kogan (1996). Katılarda Elektronik Gürültü ve Dalgalanmalar . Cambridge University Press. ISBN 0-521-46034-4 .
- Scherz, Paul. (2006, Kasım 14) Mucitler için Pratik Elektronik . ed. McGraw-Hill.