Zgomot (electronice)

În electronică , zgomotul este setul de semnale neașteptate și nedorite (în tensiune sau curent electric ) care se suprapun peste semnalul util, transmis sau care urmează să fie procesat, prezent de obicei pe canalul de comunicație între doi sau mai mulți utilizatori (sau dispozitive electronice) și pe dispozitive de recepție / procesare. Zgomotul provoacă o pierdere de informații sau o modificare a mesajului transmis. diferența dintre cablurile speakon și cablurile xlr este că, în timp ce cablurile speakon poartă atât o tensiune de 220 v, cât și semnalul, cablurile xlr transportă doar semnalul și cu o protecție mai bună. acest lucru implică faptul că în cablurile de vorbire există interferențe semnificative și evidente care apoi interferează cu calitatea audio formând zumzeturi și foșnituri care într-o ascultare stereo echilibrată nu permit să aibă un sunet pur și liniar. în ciuda acestui fapt, cablurile speakon sunt mai practice, deoarece vă permit să intrați într-un difuzor și apoi să ieșiți fără a fi nevoie să treceți un alt cablu din mixer. cu toate acestea, cablurile xlr atenuează considerabil latența, făcându-vă să simțiți o întârziere foarte mică între două difuzoare. cablurile canon sau xlr sunt mai bune pentru cei care doresc să aibă un sunet curat pentru un mediu tratat, în timp ce icavi speakon, adică cablurile cu spectru, vă permit să utilizați un singur cablu pentru și mai multe difuzoare, cu o mai mare practicitate

Descriere

Se face distincție între zgomot și perturbare: prin zgomot se înțelege de obicei semnale de origine aleatorie care vin din interior și sunt descrise în termeni probabilistici, în timp ce perturbările sunt semnale care vin din exterior și, prin urmare, pot fi descrise în termeni deterministici sau interferențe .

Zgomotul constă în „fluctuații” datorate proprietăților fundamentale ale materiei și ca atare de origine internă și nu poate fi eliminat. Aceste fluctuații observate la nivel macroscopic rezultă din fluctuații la nivel microscopic. Se manifestă sub formă de semnale aleatorii a căror tendință în timp nu poate fi descrisă analitic, ci doar în termeni statistici.

Efectul nedorit constă, prin urmare, într-o modificare sau distorsionarea semnalului util care conține informații, astfel încât să poată invalida procesul corect de detectare / procesare în aval de transmisie .

Tipuri de zgomot

Cea mai comună sursă de zgomot în echipamentele și dispozitivele electronice este zgomotul termic , este de fapt intrinsec oricărui element disipativ (de exemplu, rezistențe ) care se află la o temperatură diferită de zero absolut . Deoarece zgomotul termic este principala sursă de zgomot intern, prin convenție, numai zgomotul termic intern este înțeles ca zgomot intern.

Descoperit de Johnson și teoretic analitic de Nyquist , acest zgomot este o consecință a agitației termice a purtătorilor de sarcină dintr-un conductor. De fapt, întrucât distribuția electronilor într-un conductor în funcție de timp nu este uniformă, într-un anumit moment poate apărea un exces de sarcini la un capăt, în timp ce în clipa următoare acest exces poate fi transferat celuilalt. Mișcarea lor haotică este astfel încât să creeze o diferență de potențial la capetele unui rezistor care este în medie de 0 volți (se spune că valoarea medie a procesului de zgomot alb este zero) deoarece numărul de electroni care curge spre un capăt al conductor este egal cu numărul celor care curg unul către celălalt. Dacă este măsurată cu un instrument care nu încarcă rezistorul, această tensiune este foarte variabilă și poate fi descrisă doar în termeni statistici: valoarea pătrată medie a rădăcinii (pătratul valorii efective) depinde de temperatură și este egală cu

V_{n}^{2}=4KTB_{n}R

{\ displaystyle V_ {n} ^ {2} = 4KTB_ {n} R}

V_ {n} ^ {2} = 4KTB_ {n} R

unde este:

k = $1,38*10^{-}23$ ${\ displaystyle 1.38 * 10 ^ {-} 23}$ $1,38 * 10 ^ {-} 23$ W / Hz * K este constanta lui Boltzmann ;
R este rezistența electrică a conductorului;
$B_{n}$ ${\ displaystyle B_ {n}}$ $B_ {n}$ este banda de zgomot echivalentă;
T este temperatura în kelvini (K)

Prin urmare, se poate afirma că orice rezistor zgomotos având rezistență R, numit rezistor fierbinte , poate fi reprezentat cu un rezistor având aceeași valoare de rezistență R ca cel zgomotos, numit rezistor rece , în serie cu un generator de tensiune de zgomot a cărui valoare efectivă este dată prin ecuația de mai sus.

Alte zgomote electronice (în afară de zgomotul termic ):

zgomot împușcat
Zgomot 1 / f (sau zgomot pâlpâitor )
Zgomot de explozie
zgomot de avalanșă
zgomot optic, adică fotoni nedoriti produși în echipamente optoelectronice ca o consecință a fenomenului de emisie spontană .

Printre afecțiuni:

Semnalele armonice produse de variațiile rapide de curent în sistemele oscilante
Perturbări electrice de origine externă (a se vedea compatibilitatea electromagnetică )
Dezordine (în sistemele radar )

Tratamentul matematic

În general, zgomotul, fiind intrinsec stocastic, este analizat folosind teoria proceselor stochastice : prin urmare, se presupune că zgomotul este staționar , adică are proprietăți invariante în timp și că este ergodic, adică toate proprietățile generale ale procesului pot fi extrase dintr-o singură observație. Pentru ca zgomotul să fie tratat, trebuie distribuită o anumită distribuție a probabilității . În general, dacă distribuția este gaussiană , ca în majoritatea cazurilor, atunci distribuția sa este cunoscută:

f_{x}(x)={\frac {1}{{\sqrt {2\pi }}\sigma }}e^{-{\frac {(x-\eta )^{2}}{2\sigma ^{2}}}}

{\ displaystyle f_ {x} (x) = {\ frac {1} {{\ sqrt {2 \ pi}} \ sigma}} e ^ {- {\ frac {(x- \ eta) ^ {2}} {2 \ sigma ^ {2}}}}}

f_ {x} (x) = {\ frac {1} {{\ sqrt {2 \ pi}} \ sigma}} e ^ {{- {\ frac {(x- \ eta) ^ {2}} {2 \ sigma ^ {2}}}}}

unde este $\eta$ ${\ displaystyle \ eta}$ $\vârstă$ reprezintă valoarea sa medie e $\sigma$ ${\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ abaterea standard a acesteia este constantă în timp dacă procesul este staționar. În plus, este necesar să cunoașteți funcția de autocorelație :

R_{xx}(\tau )=\lim _{T\to \infty }{\frac {1}{2T}}\int _{-T}^{T}x(t+\tau )\cdot x(t)\,dt

{\ displaystyle R_ {xx} (\ tau) = \ lim _ {T \ to \ infty} {\ frac {1} {2T}} \ int _ {- T} ^ {T} x (t + \ tau) \ cdot x (t) \, dt}

R _ {{xx}} (\ tau) = \ lim _ {{T \ to \ infty}} {\ frac {1} {2T}} \ int _ {{- T}} ^ {{T}} x (t + \ tau) \ cdot x (t) \, dt

care reprezintă corelația dintre două eșantioane ale procesului în timp $\tau$ ${\ displaystyle \ tau}$ $\ tau$ . corelația este maximă pentru $\tau =0$ ${\ displaystyle \ tau = 0}$ $\ tau = 0$ , adică atunci când corelația este $R_{xx}(0)={\overline {x^{2}}}(t)=\eta ^{2}+\sigma ^{2}$ ${\ displaystyle R_ {xx} (0) = {\ overline {x ^ {2}}} (t) = \ eta ^ {2} + \ sigma ^ {2}}$ $R _ {{xx}} (0) = \ overline {x ^ {2}} (t) = \ eta ^ {2} + \ sigma ^ {2}$ rădăcina înseamnă pătratul procesului.

Pentru $\tau \neq 0$ ${\ displaystyle \ tau \ neq 0}$ $\ tau \ neq 0$ , funcția de autocorelație reprezintă gradul de predictibilitate a unei realizări în timp $t+\tau$ ${\ displaystyle t + \ tau}$ $t + \ tau$ cunoscut odată la vremea t.

Prin urmare, studiul zgomotului trece prin definirea unei distribuții de probabilitate adecvate și ca funcție de corelație în cazul semnalelor care ne interesează, folosim spectrul de putere și se utilizează relațiile Wiener-Khinchin :

S_{xx}(\omega )=\mathbf {F} [R_{xx}(\tau )]

{\ displaystyle S_ {xx} (\ omega) = \ mathbf {F} [R_ {xx} (\ tau)]}

S _ {{xx}} (\ omega) = {\ mathbf F} [R _ {{xx}} (\ tau)]

R_{xx}(\tau )=\mathbf {F} ^{-1}[S_{xx}(\omega )]

{\ displaystyle R_ {xx} (\ tau) = \ mathbf {F} ^ {- 1} [S_ {xx} (\ omega)]}

R _ {{xx}} (\ tau) = {\ mathbf {F}} ^ {{- 1}} [S _ {{xx}} (\ omega)]

adică a transformatei Fourier și a antitransformării funcției de autocorelație. Spectrul obținut este $(-\infty ,\infty )$ ${\ displaystyle (- \ infty, \ infty)}$ $(- \ infty, \ infty)$ , dar în general fiind simetric, se folosește spectrul de putere pozitiv unilateral. Relațiile Wiener-Khinchin pot fi apoi scrise în mod explicit:

S_{xx}(\omega )=2\int _{0}^{\infty }R_{xx}(\tau )e^{-j\omega \tau }\,d\tau

{\ displaystyle S_ {xx} (\ omega) = 2 \ int _ {0} ^ {\ infty} R_ {xx} (\ tau) e ^ {- j \ omega \ tau} \, d \ tau}

S _ {{xx}} (\ omega) = 2 \ int _ {{0}} ^ {{\ infty}} R _ {{xx}} (\ tau) și ^ {{- j \ omega \ tau} } \, d \ tau

R_{xx}(\tau )=2\int _{0}^{\infty }S_{xx}(\omega )e^{j\omega \tau }\,d\omega

{\ displaystyle R_ {xx} (\ tau) = 2 \ int _ {0} ^ {\ infty} S_ {xx} (\ omega) e ^ {j \ omega \ tau} \, d \ omega}

R _ {{xx}} (\ tau) = 2 \ int _ {{0}} ^ {{\ infty}} S _ {{xx}} (\ omega) e ^ {{j \ omega \ tau}} \, d \ omega

În funcție de caz, cantitățile pot fi măsurate în tensiune, atunci unitatea de măsură a spectrelor este $V^{2}/Hz$ ${\ displaystyle V ^ {2} / Hz}$ $V ^ {2} / Hz$ sau curent atunci $A^{2}/Hz$ ${\ displaystyle A ^ {2} / Hz}$ $A ^ {2} / Hz$ . Spectrele de amplitudine ale zgomotului pot fi obținute și din spectrele de putere ale semnalelor: