เสียงรบกวน (อิเล็กทรอนิกส์)

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
ข้ามไปที่การนำทาง ข้ามไปที่การค้นหา

จออะนาล็อกจากความผันผวนของการสุ่มในแรงดันไฟฟ้าในเสียงสีชมพู

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เสียงรบกวนเป็นการรบกวนที่ไม่ต้องการในสัญญาณไฟฟ้า[1] : 5 เสียงรบกวนที่เกิดจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีความแตกต่างกันอย่างมากเนื่องจากเกิดจากเอฟเฟกต์ต่างๆ มากมาย

ในระบบการสื่อสารเสียงเป็นข้อผิดพลาดหรือสร้างความวุ่นวายสุ่มที่ไม่พึงประสงค์ของข้อมูลที่เป็นประโยชน์สัญญาณเสียงรบกวนเป็นผลรวมของพลังงานที่ไม่ต้องการหรือรบกวนจากแหล่งธรรมชาติและบางครั้งที่มนุษย์สร้างขึ้น เสียงดัง แต่มักจะประสบความสำเร็จจากการรบกวน , [เป็น]เช่นในสัญญาณต่อเสียงรบกวนอัตราส่วน (SNR) สัญญาณต่อการรบกวนอัตราส่วน (SIR) และสัญญาณต่อเสียงรบกวนบวกอัตราส่วนมาตรการ (Snir) เสียงรบกวนมักจะแตกต่างจากการบิดเบือนซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงระบบที่ไม่ต้องการของรูปคลื่นสัญญาณโดยอุปกรณ์สื่อสารเช่นในอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนและอัตราส่วนการบิดเบือน(SINAD) และค่าความเพี้ยนรวมของเสียงบวก (THD+N)

ในขณะที่เสียงโดยทั่วไปที่ไม่พึงประสงค์ก็สามารถตอบสนองวัตถุประสงค์ที่มีประโยชน์ในการใช้งานบางอย่างเช่นการสร้างเลขสุ่มหรือสองจิตสองใจ

ประเภทเสียงรบกวน

เสียงรบกวนประเภทต่างๆ เกิดขึ้นจากอุปกรณ์และกระบวนการที่แตกต่างกัน เสียงรบกวนจากความร้อนเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ที่อุณหภูมิที่ไม่เป็นศูนย์ (ดูทฤษฎีบทการผันผวน-การกระจาย ) ในขณะที่ประเภทอื่นๆ ส่วนใหญ่จะขึ้นอยู่กับประเภทของอุปกรณ์ (เช่นเสียงช็อ[1] [2]ซึ่งต้องการสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นสูงชัน) หรือคุณภาพการผลิตและข้อบกพร่องของเซมิคอนดักเตอร์เช่นความผันผวนของสื่อกระแสไฟฟ้ารวมถึง1 / f เสียง

เสียงรบกวนจากความร้อน

จอห์นสัน Nyquist เสียง[1] (บ่อยขึ้นเสียงความร้อน) หลีกเลี่ยงไม่ได้และสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนไหวความร้อนแบบสุ่มของผู้ให้บริการค่าใช้จ่าย (ปกติอิเล็กตรอน ) ภายในตัวนำไฟฟ้าที่เกิดขึ้นโดยไม่คำนึงถึงการประยุกต์ใช้ใด ๆแรงดันไฟฟ้า

เสียงความร้อนจะอยู่ที่ประมาณสีขาวหมายความว่าของพลังงานความหนาแน่นสเปกตรัมเกือบเท่ากันตลอดทั้งคลื่นความถี่ ความกว้างของสัญญาณที่มีมากเกือบหนาแน่นเป็นฟังก์ชันแบบเกาส์ ระบบการสื่อสารที่ได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนจากความร้อนมักถูกจำลองเป็นช่องสัญญาณรบกวนแบบเกาส์เซียนสีขาว ( additive white Gaussian noise )

เสียงช็อต

เสียงช็อตในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นผลมาจากความผันผวนทางสถิติแบบสุ่มที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของกระแสไฟฟ้าเมื่อตัวพาประจุ (เช่น อิเล็กตรอน) เคลื่อนที่ผ่านช่องว่าง หากอิเล็กตรอนไหลผ่านสิ่งกีดขวาง แสดงว่ามีเวลามาถึงไม่ต่อเนื่อง การมาถึงที่ไม่ต่อเนื่องเหล่านี้แสดงเสียงยิง โดยทั่วไปจะใช้สิ่งกีดขวางในไดโอด [3]เสียงช็อตคล้ายกับเสียงที่เกิดจากฝนที่ตกลงมาบนหลังคาดีบุก การไหลของฝนอาจค่อนข้างคงที่ แต่เม็ดฝนแต่ละเม็ดมาถึงอย่างไม่ต่อเนื่อง

ค่ารูต-ค่าเฉลี่ย-กำลังสองของเสียงช็อตปัจจุบันi nถูกกำหนดโดยสูตรชอตต์กี

โดยที่Iคือกระแสไฟตรงqคือประจุของอิเล็กตรอน และ Δ Bคือแบนด์วิดท์ในหน่วยเฮิรตซ์ สูตร Schottky ถือว่าการมาถึงโดยอิสระ

หลอดสุญญากาศแสดงเสียงช็อตเนื่องจากอิเล็กตรอนสุ่มออกจากแคโทดและมาถึงแอโนด (เพลท) หลอดอาจไม่แสดงเอฟเฟกต์เสียงรบกวนแบบเต็ม: การปรากฏตัวของประจุในอวกาศมักจะทำให้เวลาที่มาถึงราบรื่นขึ้น (และลดการสุ่มของกระแส) Pentodesและหน้าจอตารางtetrodesแสดงสัญญาณรบกวนมากกว่าหลอดไตรโอดเพราะแคโทดปัจจุบันแยกสุ่มระหว่างตารางหน้าจอและขั้วบวก

ตัวนำและตัวต้านทานมักจะไม่มีเสียงช็อตเนื่องจากอิเล็กตรอนให้ความร้อนและเคลื่อนที่อย่างกระจายภายในวัสดุ อิเล็กตรอนไม่มีเวลามาถึงไม่ต่อเนื่อง เสียงช็อตแสดงให้เห็นในตัวต้านทานแบบมีโซสโคปิกเมื่อขนาดขององค์ประกอบต้านทานสั้นกว่าความยาวการกระเจิงของอิเล็กตรอน-โฟนอน [4]

เสียงพาร์ทิชัน

ในกรณีที่กระแสแบ่งระหว่างสองเส้นทาง (หรือมากกว่า) สัญญาณรบกวนเกิดขึ้นจากความผันผวนแบบสุ่มที่เกิดขึ้นระหว่างการแบ่งส่วนนี้

ด้วยเหตุผลนี้ ทรานซิสเตอร์จะมีสัญญาณรบกวนมากกว่าเสียงช็อตรวมจากทางแยก PN สองจุด

เสียงสั่น

Flicker noise หรือที่เรียกว่า 1/ f noise เป็นสัญญาณหรือกระบวนการที่มีสเปกตรัมความถี่ที่ตกลงไปในความถี่ที่สูงขึ้นอย่างต่อเนื่องด้วยสเปกตรัมสีชมพู มันเกิดขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกือบทั้งหมดและเป็นผลมาจากผลกระทบที่หลากหลาย

เสียงระเบิด

เสียงระเบิดประกอบด้วยการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันเหมือนขั้นตอนอย่างกะทันหันระหว่างแรงดันหรือกระแสที่ไม่ต่อเนื่องกันตั้งแต่สองระดับขึ้นไป สูงถึงหลายร้อยไมโครโวลต์ ในเวลาสุ่มและคาดเดาไม่ได้ การเปลี่ยนแรงดันหรือกระแสออฟเซ็ตแต่ละครั้งจะกินเวลาหลายมิลลิวินาทีเป็นวินาที เป็นที่รู้จักกันว่าเสียงป๊อปคอร์นสำหรับเสียงแตกหรือเสียงแตกที่เกิดขึ้นในวงจรเสียง

เสียงรบกวนเวลาขนส่ง

หากเวลาที่อิเลคตรอนใช้ในการเดินทางจากอิมิตเตอร์ไปยังคอลเลคเตอร์ในทรานซิสเตอร์เทียบได้กับระยะเวลาของสัญญาณที่กำลังขยาย นั่นคือ ที่ความถี่สูงกว่าVHFและเกิน จะเกิดเอฟเฟกต์เวลาขนส่งและอิมพีแดนซ์อินพุตสัญญาณรบกวนของ ทรานซิสเตอร์ลดลง จากความถี่ที่เอฟเฟกต์นี้มีนัยสำคัญ มันจะเพิ่มขึ้นตามความถี่และครอบงำแหล่งกำเนิดเสียงอื่นๆ อย่างรวดเร็ว [5]

เสียงรบกวนคู่

ในขณะที่เสียงอาจถูกสร้างขึ้นในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ตัวเองพลังงานเสียงเพิ่มเติมสามารถเข้าไปในวงจรควบคู่ไปจากสภาพแวดล้อมภายนอกโดยการเหนี่ยวนำหรือมีเพศสัมพันธ์ capacitiveหรือผ่านเสาอากาศของเครื่องรับวิทยุ

ที่มา

เสียงอินเตอร์มอดูเลชั่น
เกิดขึ้นเมื่อสัญญาณของความถี่ต่างกันใช้ตัวกลางที่ไม่เป็นเชิงเส้นเดียวกัน
ครอสทอล์ค
ปรากฏการณ์ที่สัญญาณที่ส่งในวงจรหนึ่งหรือช่องสัญญาณของระบบส่งสัญญาณสร้างการรบกวนที่ไม่ต้องการไปยังสัญญาณในอีกช่องทางหนึ่ง
การรบกวน
การดัดแปลงหรือการหยุดชะงักของสัญญาณที่เคลื่อนที่ไปตามตัวกลาง
เสียงรบกวนในบรรยากาศ
นอกจากนี้ยังเรียกว่ามีเสียงรบกวนมันจะเกิดจากฟ้าผ่าปล่อยในพายุฝนฟ้าคะนองและรบกวนไฟฟ้าอื่น ๆ ที่เกิดขึ้นในธรรมชาติเช่นปล่อยโคโรนา
เสียงอุตสาหกรรม
แหล่งต่างๆ เช่น รถยนต์ เครื่องบิน มอเตอร์ไฟฟ้าจุดระเบิดและเกียร์สวิตชิ่งสายไฟแรงสูงและหลอดฟลูออเรสเซนต์ทำให้เกิดเสียงรบกวนทางอุตสาหกรรม เสียงเหล่านี้เกิดจากการคายประจุที่มีอยู่ในการดำเนินการทั้งหมดเหล่านี้
เสียงรบกวนจากแสงอาทิตย์
เสียงรบกวนที่มาจากดวงอาทิตย์ที่เรียกว่าเสียงแสงอาทิตย์ ภายใต้สภาวะปกติ มีรังสีคงที่โดยประมาณจากดวงอาทิตย์เนื่องจากอุณหภูมิสูง แต่พายุสุริยะอาจทำให้เกิดการรบกวนทางไฟฟ้าได้หลายอย่าง ความเข้มของเสียงแสงอาทิตย์แตกต่างกันไปในช่วงเวลาในวัฏจักรสุริยะ
เสียงจักรวาล
ดาวที่อยู่ห่างไกลทำให้เกิดเสียงที่เรียกว่าเสียงจักรวาล แม้ว่าดาวเหล่านี้อยู่ไกลเกินกว่าจะส่งผลกระทบต่อระบบการสื่อสารภาคพื้นดิน แต่ดาวเหล่านี้จำนวนมากนำไปสู่ผลกระทบโดยรวมที่ประเมินค่าได้ มีการสังเกตเสียงรบกวนของจักรวาลในช่วงตั้งแต่ 8 MHz ถึง 1.43 GHz ซึ่งเป็นความถี่หลังที่สอดคล้องกับเส้นไฮโดรเจนขนาด 21 ซม. นอกเหนือจากเสียงรบกวนที่มนุษย์สร้างขึ้นแล้ว ยังเป็นส่วนประกอบที่แข็งแกร่งที่สุดในช่วงประมาณ 20 ถึง 120 MHz เสียงคอสมิกเล็กน้อยที่ต่ำกว่า 20MHz แทรกซึมชั้นบรรยากาศรอบนอก ในขณะที่การหายไปในที่สุดที่ความถี่ที่เกิน 1.5 GHz อาจควบคุมโดยกลไกที่สร้างมันขึ้นมาและการดูดกลืนโดยไฮโดรเจนในอวกาศระหว่างดวงดาว [ ต้องการการอ้างอิง ]

การบรรเทาสาธารณภัย

ในหลายกรณีเสียงรบกวนที่พบในสัญญาณในวงจรเป็นสิ่งที่ไม่ต้องการ มีเทคนิคการลดสัญญาณรบกวนต่างๆ มากมายที่สามารถลดเสียงรบกวนที่วงจรรับได้

  1. กรงฟาราเดย์ – กรงฟาราเดย์ที่ล้อมรอบวงจรสามารถใช้เพื่อแยกวงจรออกจากแหล่งกำเนิดเสียงภายนอก กรงฟาราเดย์ไม่สามารถระบุแหล่งที่มาของเสียงที่มาจากตัววงจรเองหรือแหล่งที่นำเข้ามา ซึ่งรวมถึงแหล่งจ่ายไฟด้วย
  2. คัปปลิ้งแบบคาปาซิทีฟ – คัปปลิ้งแบบคาปาซิทีฟช่วยให้สัญญาณ AC จากส่วนหนึ่งของวงจรถูกรับในอีกส่วนหนึ่งผ่านปฏิสัมพันธ์ของสนามไฟฟ้า ในกรณีที่ไม่ต้องการคัปปลิ้ง เอฟเฟกต์สามารถแก้ไขได้ผ่านการจัดวางวงจรและการต่อสายดินที่ได้รับการปรับปรุง
  3. ลูปพื้นดิน - เมื่อดินวงจรมันเป็นสิ่งสำคัญที่จะหลีกเลี่ยงลูปพื้นดิน กราวด์ลูปเกิดขึ้นเมื่อมีความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างการเชื่อมต่อกราวด์ทั้งสอง วิธีที่ดีในการแก้ไขปัญหานี้คือการนำสายกราวด์ทั้งหมดไปใช้กับกราวด์บัสให้มีศักยภาพเท่ากัน
  4. สายเคเบิลป้องกัน – สายเคเบิลที่มีฉนวนป้องกันสามารถใช้เป็นกรงสำหรับเดินสายของฟาราเดย์ และสามารถป้องกันสายไฟจากสัญญาณรบกวนที่ไม่ต้องการในวงจรที่มีความละเอียดอ่อน โล่จะต้องต่อสายดินเพื่อให้มีประสิทธิภาพ การต่อกราวด์โล่ที่ปลายด้านเดียวเท่านั้นสามารถหลีกเลี่ยงกราวด์บนโล่ได้
  5. การเดินสายคู่บิดเกลียว – การบิดสายในวงจรจะลดสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า การบิดสายไฟจะลดขนาดวงรอบซึ่งสนามแม่เหล็กสามารถวิ่งผ่านเพื่อสร้างกระแสระหว่างเส้นลวด อาจมีห่วงเล็กๆ อยู่ระหว่างสายที่บิดเข้าหากัน แต่สนามแม่เหล็กที่ไหลผ่านห่วงเหล่านี้ทำให้เกิดกระแสไหลในทิศทางตรงกันข้ามในวงสลับกันในแต่ละเส้นลวด ดังนั้นจึงไม่มีกระแสรบกวนสุทธิ
  6. ตัวกรองรอยบาก - ตัวกรองรอยหรือตัวกรองการปฏิเสธแบนด์มีประโยชน์ในการกำจัดความถี่เสียงที่เฉพาะเจาะจง ยกตัวอย่างเช่นสายไฟฟ้าภายในอาคารที่ดำเนินการที่ 50 หรือ 60 Hz ความถี่บรรทัด วงจรที่มีความละเอียดอ่อนจะรับความถี่นี้เป็นสัญญาณรบกวน ตัวกรองรอยบากที่ปรับตามความถี่ของสายสามารถขจัดเสียงรบกวนได้

สัญญาณรบกวนจากความร้อนสามารถลดลงได้โดยการระบายความร้อนของวงจร - โดยทั่วไปแล้วจะใช้ในการใช้งานที่มีมูลค่าสูงที่มีความแม่นยำสูงเท่านั้น เช่น กล้องโทรทรรศน์วิทยุ

ปริมาณ

ระดับเสียงในระบบอิเล็กทรอนิกส์โดยปกติจะวัดเป็นไฟฟ้าพลังงาน Nในวัตต์หรือdBmซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยกำลังสอง (RMS) แรงดันไฟฟ้า (เหมือนกับเสียงส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน ) ในโวลต์dBμVหรือข้อผิดพลาดยกกำลังสองเฉลี่ย (MSE) ในโวลต์ กำลังสอง ตัวอย่างของหน่วยวัดระดับเสียงรบกวนทางไฟฟ้า ได้แก่dBu , dBm0 , dBrn , dBrnCและ dBrn( f 1f 2 ), dBrn(144- line ) เสียงรบกวนอาจมีลักษณะเฉพาะของมันการกระจายความน่าจะเป็นและความหนาแน่นของสเปกตรัมเสียง N 0 ( f ) ในหน่วยวัตต์ต่อเฮิรตซ์

สัญญาณรบกวนโดยทั่วไปถือเป็นการเพิ่มเชิงเส้นให้กับสัญญาณข้อมูลที่เป็นประโยชน์ การวัดคุณภาพสัญญาณโดยทั่วไปที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณรบกวนคืออัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR หรือS / N ) อัตราส่วนสัญญาณรบกวนต่อปริมาณสัญญาณ (SQNR) ในการแปลงและบีบอัดอนาล็อกเป็นดิจิตอลอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูงสุด (PSNR) ) ในการเข้ารหัสรูปภาพและวิดีโอและสัญญาณรบกวนในแอมพลิฟายเออร์แบบเรียงซ้อน ในระบบการสื่อสารอนาล็อก passband แบบปรับคลื่นความถี่วิทยุอัตราส่วนของสัญญาณเสียงต่อสัญญาณรบกวน (CNR) บางอย่างที่อินพุตของเครื่องรับวิทยุจะส่งผลให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนบางอย่างในสัญญาณข้อความที่ตรวจพบ ในระบบสื่อสารดิจิทัลE B / N 0 (ปกติสัญญาณต่อเสียงรบกวนอัตราส่วน) จะส่งผลให้บางอัตราความผิดพลาดบิตระบบโทรคมนาคมพยายามเพิ่มอัตราส่วนของระดับสัญญาณต่อระดับเสียงรบกวนเพื่อถ่ายโอนข้อมูลอย่างมีประสิทธิภาพ เสียงรบกวนในระบบโทรคมนาคมเป็นผลผลิตจากแหล่งทั้งภายในและภายนอกระบบ

เสียงรบกวนเป็นกระบวนการสุ่มโดดเด่นด้วยการสุ่มคุณสมบัติเช่นมันแปรปรวน , การกระจายและความหนาแน่นสเปกตรัม การกระจายสเปกตรัมของสัญญาณรบกวนอาจแตกต่างกันไปตามความถี่ดังนั้นความหนาแน่นของพลังงานจึงวัดเป็นวัตต์ต่อเฮิรตซ์ (W/Hz) เนื่องจากกำลังไฟฟ้าในองค์ประกอบต้านทานเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแรงดันไฟฟ้าที่ขวางอยู่ แรงดันสัญญาณรบกวน (ความหนาแน่น) สามารถอธิบายได้โดยการหารากที่สองของความหนาแน่นของพลังงานเสียง ส่งผลให้โวลต์ต่อรูตเฮิรตซ์ (). อุปกรณ์วงจรรวมเช่นแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานมักอ้างอิงถึงระดับสัญญาณรบกวนอินพุตที่เทียบเท่าในเงื่อนไขเหล่านี้ (ที่อุณหภูมิห้อง)

ไดเทอร์

หากแหล่งสัญญาณรบกวนมีความสัมพันธ์กับสัญญาณ เช่น ในกรณีของข้อผิดพลาดในเชิงปริมาณ การแนะนำโดยเจตนาของสัญญาณรบกวนเพิ่มเติม เรียกว่าditherสามารถลดสัญญาณรบกวนโดยรวมในแบนด์วิดท์ที่น่าสนใจได้ เทคนิคนี้ช่วยให้สามารถดึงสัญญาณที่ต่ำกว่าเกณฑ์การตรวจจับที่ระบุของเครื่องมือ นี่คือตัวอย่างของการสุ่มเสียง

ดูเพิ่มเติม

หมายเหตุ

  1. ^ เช่น crosstalkการรบกวนโดยเจตนาหรือการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่ต้องการจากเครื่องส่งสัญญาณเฉพาะ

อ้างอิง

  1. อรรถเป็น c Motchenbacher ซีดี; คอนเนลลี, เจเอ (1993). การออกแบบระบบเสียงรบกวนต่ำอิเล็กทรอนิกส์ ไวลีย์อินเตอร์ ISBN 0-271-57742-1.
  2. ^ คิช LB; Granqvist, CG (พฤศจิกายน 2000) "เสียงในนาโนเทคโนโลยี". Microelectronics ความน่าเชื่อถือ เอลส์เวียร์. 40 (11): 1833–1837. ดอย : 10.1016/S0026-2714(00)00063-9 .
  3. ^ Ott, Henry W. (1976), เทคนิคการลดเสียงรบกวนในระบบอิเล็กทรอนิกส์ , John Wiley, pp. 208, 218, ISBN 0-471-65726-3
  4. ^ สไตน์บาค แอนดรูว์; มาร์ตินี่, จอห์น; เดโวเรต, มิเชล (1996-05-13). "การสังเกตจุดรบกวนของอิเล็กตรอนร้อนในตัวต้านทานแบบเมทัลลิก" สรีรวิทยา รายได้เลตต์ . 76 (20): 38.6–38.9. Bibcode : 1996PhRvL..76...38M . ดอย : 10.1103/PhysRevLett.76.38 . PMID 10060428 . 
  5. ^ ทฤษฎีการสื่อสาร . สิ่งพิมพ์ทางเทคนิค 1991. หน้า 3–6. ISBN 9788184314472.

อ่านเพิ่มเติม

  • NS. โคแกน (1996). เสียงรบกวนอิเล็กทรอนิกส์และความผันผวนในของแข็ง สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์. ISBN 0-521-46034-4.
  • เชิร์ซ, พอล. (2549, 14 พ.ย.) อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เชิงปฏิบัติสำหรับนักประดิษฐ์ . เอ็ด แมคกรอว์-ฮิลล์.

ลิงค์ภายนอก