Шум (электроника)

Шум — это нежелательное искажение электрического сигнала^[1].

Шум, генерируемый электронными устройствами, сильно варьируется, поскольку он производится несколькими различными эффектами.

В частности, шум является неотъемлемой частью физики и занимает центральное место в термодинамике. Любой проводник с электрическим соединением будет генерировать тепловой шум. Полностью устранить тепловой шум в электронике можно только при криогенных температурах, но даже тогда останется квантовый шум.

Электронный шум является распространённым компонентом шума при обработке сигнала

В системах связи шум является ошибкой или случайным искажением полезного информационного сигнала в канале авязи. Шум является суммой нежелательной или мешающей энергии из природных и, иногда, из искусственных источников. Шум, однако, обычно отличают от помех^[a], например, в показателях «отношение сигнал/шум», «отношение сигнал-помеха» и «отношение сигнал/шум + помеха». Шум также отличается от искажения сигнала, которое представляет собой нежелательное систематическое изменение формы сигнала оборудованием связи. Это различие учитывается, например, в таких показателях, как «отношение сигнал-шум и искажение» и коэффициент нелинейных искажений.

Хотя шум, как правило, нежелателен, в некоторых приложениях он может выполнять полезную функцию, например, при генерации случайных чисел или в качестве дизеринга.

Источники некоррелированного шума складываются согласно их мощностей^[2].

Различные типы шумов генерятся различными устройствами и различными процессами. Тепловой шум неизбежен при ненулевой температуре (см. Флуктуационно-диссипационная теорема), в то время как другие типы зависят большей частью от устройств (такие как дробовой шум^[3][4], для которого необходим крутой потенциальный барьер) или от качества производства и дефектов полупроводников, таких как флуктуации проводимости, включая 1/f шум.

Тепловой шум^[4] — это неизбежный шум, генерируемый случайным тепловым движением заряженных частиц (обычно электронов), внутри электрического проводника, которое происходит независимо от приложенного напряжения.

Тепловой шум приблизительно является белым, что означает, что его спектральная плотность мощности почти одинакова во всём частотном спектре. Амплитуда сигнала очень близка к нормальному распределению. Система связи, подверженная тепловому шуму, часто моделируется как аддитивный белый гауссовский шум.

Дробовой шум в электронных устройствах возникает из-за неизбежных случайных статистических флуктуаций электрического тока, когда носители заряда (такие как электроны) пересекают запрещённую зону. Если электроны проходят через барьер, время их прибытия дискретно. Именно эти дискретные прибытия и порождают дробовой шум. Обычно в качестве такого барьера используется диод^[5]. Дробовой шум похож на шум от дождя, падающего на жестяную крышу. Поток дождя может быть относительно постоянным, но отдельные капли прилетают в разное время^[6].

Среднеквадратичное значение i_n даётся формулой Шоттки.

${\displaystyle i_{n}={\sqrt {2Iq\Delta B}}}$

где I — сила постоянного тока, q — заряд электрона, а ΔB — полоса пропускания в герцах. Формула Шоттки предполагает независимые поступления.

Электронные лампы проявляют дробовой шум из-за случайного испускания электронов катодом и их прибытия на анод. Лампа может не проявлять полный эффект дробового шума из-за существования пространственного заряда, сглаживающего время прибытия электронов (и тем самым уменьшая случайную составляющую тока). Пентоды и тетроды с экранирующей сеткой обладают бо́льшим уровнем шума, чем триоды, поскольку ток катода случайным образом распределяется между экранирующей сеткой и анодом.

Проводники и сопротивления обычно не проявляют дробовой шум, поскольку электроны замедляются до тепловой скорости и движутся диффузно внутри материала, так что у электронов нет дискретного времени прибытия. Дробовой шум был продемонстрирован в мезоскопических сопротивлениях, когда размер элемента становится меньше длины рассеяния электронов на фононах^[7].

Там, где ток разделяется между двумя (или более) путями^[8], возникает шум в результате случайных флуктуаций, происходящих во время этого разделения.

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

Фликкер-шум, известный также как 1/f шум, представляет собой сигнал или процесс с частотным спектром розового шума и плавно спадает с ростом частоты.

Импульсный шум представляют собой резкие скачкообразные переходы между двумя или более дискретными уровнями напряжения или тока, достигающие нескольких сотен микровольт, происходящие в случайные и непредсказуемые моменты времени. Каждое изменение напряжения или тока длится от нескольких миллисекунд до секунд. Это известно также как попкорновый шум из-за щёлкающих или трещащих звуков, которые он производит в аудиосхемах.

Когда время прохождения электронов от эмиттера к коллектору в транзисторе становится сопоставимым с периодом усиливаемого сигнала, то есть на частотах метровых волн и выше, возникает эффект времени перехода и входное шумовое сопротивление транзистора уменьшается. Начиная с частоты, на которой этот эффект становится значительным, он увеличивается с ростом частоты и быстро становится преобладающим над другими источниками шума^[9].

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

Интермодуляция

Возникает, когда сигналы разных частот разделяют одну и ту же нелинейную среду.

Перекрёстные помехи

Явление, при котором сигнал, передаваемый по одному контуру или каналу системы передачи, создаёт нежелательные помехи для сигнала в другом канале.

Помехи

Модификация или нарушение сигнала, распространяющегося по среде

Атмосферный шум

Называемый также статистическим шумом, он вызывается разрядами молний во время гроз и другими электрическими возмущениями, происходящими в природе, такими как коронный разряд.

Промышленный шум

Источники, такие как автомобили, самолёты, системы зажигания в двигателях, высоковольтные провода и люминесцентные лампы, являются причиной промышленного шума. Эти шумы производятся разрядами, присутствующими во всех этих процессах.

Солнечные шумы

Шум, исходящий от Солнце, называется солнечным шумом. При обычных условиях Солнце излучает примерно постоянное излучение благодаря своей высокой температуре, однако солнечные бури могут вызвать различные электрические помехи. Интенсивность солнечного шума меняется со временем в течение солнечного цикла.

Шумы космоса

Далекие звезды генерируют шум, называемый космическим шумом. Хотя эти звезды находятся слишком далеко, чтобы оказывать индивидуальное влияние на наземные системы связи, их большое количество приводит к заметным коллективным эффектам. Космический шум наблюдается в диапазоне от 8 МГц до 1,43 ГГц, причём последняя частота соответствует 21-сантиметровой водородной линии. Помимо техногенного шума, это наиболее мощная составляющая в диапазоне примерно от 20 до 120 МГц. Небольшое количество космического шума ниже 20 МГц проникает через ионосферу, в то время как его постепенное исчезновение на частотах выше 1,5 ГГц, вероятно, обусловлено механизмами его генерации и поглощением водородом в межзвёздном пространстве.

Во многих случаях шум, присутствующий в сигнале в цепи, является нежелательным. Существует множество различных методов снижения шума, которые могут уменьшить шум, улавливаемый цепью.

1. Клетка Фарадея – Клетка Фарадея, закрывающая цепь, может быть использована для изоляции цепи от внешних источников шума. Клетка Фарадея не может защитить от источников внутри самой цепи или от шума входного сигнала, а также от шума источника питания.
2. Ёмкостная связь – Ёмкостная связь позволяет передавать переменный сигнал из одной части схемы в другую за счёт взаимодействия электрических полей. Когда такая связь нежелательна, её последствия можно смягчить путем улучшения разводки платы и заземления.
3. Выравнивающий ток – При заземлении схемы важно избегать выравнивающих токов. Выравнивающий ток случается, когда есть разность напряжения между двумя точками заземления. Хорошим способом устранения этой проблемы является приведение всех заземляющих проводов к одному потенциалу на шине заземления.
4. Экранирование проводов – Экранированный кабель можно рассматривать как клетку Фарадея для проводов и это может защитить от нежелательных шумов в чувствительных схемах. Для эффективности экран должен быть заземлён. Заземление экрана только с одного конца позволяет избежать возникновения выравнивающих токов.
5. Витая пара – Скручивание проводов в цепи уменьшает электромагнитный шум. Скручивание проводов уменьшает размер петли, через которую может проходить магнитное поле, создавая ток между проводами. Небольшие петли могут существовать между скрученными вместе проводами, но магнитное поле, проходящее через эти петли, индуцирует ток, текущий в противоположных направлениях в чередующихся петлях на каждом проводе, поэтому суммарный ток помех отсутствует.
6. Режекторные фильтры – Режекторные фильтры или полосно-заграждающие фильтры полезны для исключения специфичных частот шума. Например, электрические сети внутри зданий работают на частоте 50 или 60 Гц. Чувствительные цепи будут улавливать эту частоту как шум. Режекторный фильтр, настроенный на эту сетевую частоту, способен подавить такой шум.

Тепловой шум может быть уменьшен за счёт охлаждения цепей. Это обычно делается в высокоточных и дорогостоящих приложениях, таких как телескопы.

Уровень шума в электрической системе обычно измеряется как электрическая мощность N в ваттах или dBm, как среднеквадратичное напряжение (идентичное среднеквадратичному отклонению шума) в вольтах, dBμV, или как среднеквадратичная ошибка в вольтах в квадрате. Примерами единиц измерения уровня электрического шума являются dBu, dBm0, dBrn, dBrnC и dBrn(f₁ − f₂). Шум также может быть охарактеризован его распределением и спектральной плотностью N₀(f) в ваттах на герц.

Шум обычно рассматривается как линейная добавка к полезному информационному сигналу. Типичные показатели качества сигнала по отношению к шуму − это отношение сигнал/шум, «отношение сигнал/шум при квантовании» в аналого-цифровом преобразователе и сжатии, пиковое отношение сигнала к шуму в изображениях и видеокодировании и коэффициент шума в каскадных усилителяхin. В аналоговой системе связи с модуляцией несущей определённое «отношение несущей к шуму» на входе радиоприемника приведёт к определённому отношению сигнал/шум в детектированном сигнале сообщения. В цифровой системе связи определённое значение E_b/N₀ (нормализованное отношение сигнал/шум) приведёт к определённой частоте ошибок по битам. Телекоммуникационные системы стремятся увеличить соотношение уровня сигнала к уровню шума для эффективной передачи данных. Шум в телекоммуникационных системах является результатом как внутренних, так и внешних источников.

Шум является случайным процессом, характеризующимся стохастическими свойствами, такими как дисперсия, распределение вероятностей и спектральная плотность мощности. Спектральное распределение шума может меняться с частотой, так что мощность измеряется в ваттах на герц. Поскольку мощность в сопротивлении пропорциональна квадрату напряжения на нём, шумовое напряжение (плотность) можно описать, взяв квадратный корень из плотности шумовой мощности, что дает вольты на корень из герца. Интегральные схемы, такие как операционные усилители обычно указывают эквивалентный входной уровень шума именно в этих единицах (при комнатной температуре).

Если источник шума коррелирует с сигналом, как в случае ошибок квантования, преднамеренное внесение дополнительного шума, называемого дизерингом, может сократить общий уровень шума в интересующей полосе частот. Эта техника позволяет извлечь сигналы ниже номинального порога обнаружения прибора. Это пример стохастического резонанса.

• Активное шумоподавление
• Цвета шума
• Открытие реликтового излучения
• Обнаружение и коррекция ошибок
• Согласованный фильтр

• Sh. Kogan. Electronic Noise and Fluctuations in Solids. — Cambridge University Press, 1996. — ISBN 0-521-46034-4.
• Scherz, Paul. (2006, Nov 14) Practical Electronics for Inventors. ed. McGraw-Hill.

• Active Filter (Sallen & Key) Noise Study. Архивировано 22 мая 2015 года..
• White noise calculator, thermal noise – Voltage in microvolts, conversion to noise level in dBu and dBV and vice versa