Шум у електроници

Шум је нежељена сметња која се преклапа са корисним сигналом и која има тенденцију да прекрије садржај корисне информације. Шум није исто што и дисторзија сигнала коју проузрокује струјно коло. Шум се може произвести електромагнетски или термички, што се може умањити спуштањем радне температуре кола. Друге врсте шумова, као што је праскави шум, не могу бити уклоњени јер настају услед ограничавајућих околности физичких својстава.

Електронски шум

је произвољна сигнална карактеристика свих електронских кола. У зависности од кола, шум који производе електронски уређаји, може варирати у великој мјери. Неколико различитих ефеката може произвести шум. Термички и праскави шум су својствени свим уређајима. Остале врсте углавном зависе од квалитета производње и дефеката полупроводника. Иако је, генерално гледано, шум непожељан, он може корисно послужити у неким примјенама, као што је дитеровање.

Врсте

Термички шум

Термички шум (понекад назван Јохнсон-Нyqуист, Јохнсон или Нyqуист шум) је шум који производе флуктуације равнотеже електричне струје унутар једног електричног проводника, што се догађа без обзира на примијењени напон, услед произвољних термичких помјерања носилаца наелектрисања (обично електрона). Наелектрисања могу бити везана (за диелектричне (непроводне) материјале) или слободна (за проводнике). Слободна наелектрисања производе кинетичку енергију.

Резултат ове кинетичке енергије је шум. Везана наелектрисања производе кинетичку енергију када се мијења правац поларности. Термички шум се карактерише као адитивни бијели гаусовски шум (АWГН), чија се спектрална густина шума изражава у ватима по херцу:

Но = кТ

гдје је к Болцманова константа у џулима по келвину, а Т је пријемни систем температуре шума у келвинима. Пошто се термички шум сматра „бијелим” шумом, укупна јачина шума Н, запажена у пријемнику са ширином опсега Б, износи:

Н = БНо.

Овај феномен ограничава минимални ниво сигнала који одговара сваком радио пријемнику, јер ће тамо увијек бити присутна мала, али значајна количина термичког шума, која настаје у његовим улазним колима. Овај минимални сигнал се може означити као „праг шума”. Због овога, радио телескопи, који траже веома ниске нивое сигнала од звијезда, користе чеона струјна кола, обично инсталирана на тањир антене, охлађена на веома ниску температуру у течном азоту.

Снага и напон шума се могу добити помоћу следећих релација:

$P_{n}={\frac {V^{2}}{R_{L}}}={\frac {\left({\frac {V_{n}}{2}}\right)^{2}}{R}}={\frac {V_{n}^{2}}{4R}}$
$V_{n}^{2}=4RP_{n}=4RkT\;\delta \!f$
$V_{n}={\sqrt {4kT\;\delta \!f\;R}}$ $P_{n}\propto \ T\;\delta \!f=k\,T\;\delta \!f$

гдје је к = Болцманова константа = 1.38x10^-23Ј/К

Т = апсолутна температура изражена у келвинима, К = 273 + °Ц

δ ф = ширина опсега

Пн - максимална снага шума на отпорнику.

Неки извори шума потичу директно из термодинамике и квантификују природу електричне батерије. Термички шум потиче из чињенице да у отпорним материјалима просторна дистрибуција електрона флуктуира у времену. У било ком тренутку, може бити више електрона на лијевој него на десној страни. Пошто електростатички потенцијал зависи од просторне дистрибуције, јавља се пропратна флуктуација у потенцијалу (напону) мјерена на отпорнику. Тако, ако поставимо савршен волтметар на отпорник, видјећемо да би средњи потенцијал могао бити нула, али би могао бити и испод и изнад нуле.

Праскави шум

Праскави шум у електронским урађајима се састоји од произвољних флуктуација електрићне струје у електричном проводнику, проузрокованих чињеницом да су носиоци струје изолована наелектрисања (електрони). Струја праскавог шума је описана следећом релацијом:

ноисе волтагес:

$V_{n}1={\sqrt {4kT\,\delta \!f\,R_{1}}}$, $V_{n}2={\sqrt {4kT\,\delta \!f\,R_{2}}}$...анд со он, тхен $V_{n,tot}={\sqrt {{V_{n}1^{2}}+{V_{n}2^{2}}+...}}={\sqrt {4kT\,\delta \!f\,R_{tot}}}$

wхере Р_тот = Р₁+Р₂+...

Р_еq = Р₁+Р'₂
$R_{eq}=R_{1}+{\frac {R_{2}}{A_{1}^{2}}}+{\frac {R_{3}}{{A_{1}^{2}}{A_{2}^{2}}}}$

Фликер шум

Фликер шум, такође познат и као 1/ф шум, представља сигнал или процес са опсегом фреквенције који константно опада на веће фреквенце, са розим спектром. То се јавља у скоро свим електронским уређајима, а резултује из различитих ефеката, увијек повезаних са једносмјерном струјом.

Пулсирајући шум

Пулсирајући шум се састоји од изненадних прелаза у виду корака између два или више нивоа (негаусовски), у јачини већој од неколико стотина миливолти, у произвољним и непредвиђеним временским интервалима. Свака промјена у уједначеном напону или струји траје неколико милисекунди, а интервали између пулсирања теже да буду у аудио опсегу (мање од 100 Хз), што води појму „шум кокица” за звукове који се производе у аудио колима.

Мјерење

Шум се моделује помоћу једног напонског и два струјна извора који се постављају на улаз у операциони појачавач. Услед чињенице да је шум произвољан процес, може се окарактерисати „случајним” својствима, као што су његова дисперзија, расподјела и спектрална густина. Спектрална расподјела може се разликовати од фреквенције, пошто се њена продуктивна (енергетска) густина мјери у ватима по херцу (W/Хз). Уређаји интегрисаног кола, као што су операциони појачавачи, заједнички одређују еквивалентан улазни ниво шума под оваквим околностима (на собној температури).

У телекомуникационом инжењерингу, ниво шума се обично изражава у децибелима (дБ) за релативну снагу или ватима за апсолутну снагу.

Нивои шумова се обично посматрају у супротности са нивоима сигнала и често се сагледавају као дио пропорције сигнала и шума. Телекомуникациони системи теже да повећају ниво сигнала у односу на ниво шума како би се подаци преносили на ефективан начин. У пракси, пренијети сигнал опада испод нивоа шума (често означаван као „праг шума”) у систему, подаци више не могу да се декодирају у рисиверу. Нивои шумова у телекомуникационим системима су производ и унутрашњих и спољашњих извора на систем, укључујући праскави шум, термички шум, као и амбијентални електромагнетни утицај.

Рачунање шума

Напон шума се прорачунава као ефективна вриједност појединачних напона.

Дитеровање

Намјерно увођење додатног шума (названог „дитхер”) може у великом опсегу умањити шум. Увођењем могућих функција густине шумова и дитера, енергија шумова се шири читавим опсегом, при чему умањује амплитуду шума који омета сигнал. Ова техника дозвољава поновно проналажење сигнала несталог у шуму. Иако се обично примјењује да умањи грешку квантизације, дитеровање се може користити да умањи све форме шумова који су у корелацији са сигналом.

Методе редуковања шума

Диференцијално сигнализирање

Ово је метода преноса информација помоћу два комплементарна сигнала послата на двије међусобно одвојене жице. Ова техника се може користити и за аналогна сигнализирања (као нпр. у неколико аудио система) и за дигитална сигнализирања (као нпр. ПЦИ Еxпресс и УСБ).

Сигнал у добром подручју Подручје идеалног сигнала подржава нулти напон, без обзира колико електричне струје улази у подручје, или излази из њега.

Шум у аналогним колима

Карактеристике шума често имају велики значај у пројектовању аналогних кола. Шум се обично описује областима фреквентног спектра, који описује колико је шум распрострањен у различитим фреквенцијама. На слици приказано је неколико различитих типова шума у зависности од фреквенција:

• термички шум – шум константног напона,
• рози шум – шум чији је напон описан кривом 1/ф,
• шум околине – шум који потиче од било ког јасно одређеног извора у окружењу (околини).

Литература

• Кеннедy, Георге „Елецтрониц Цоммуницатион Сyстемс”, тхирд ед.
• Сх. Коган „Елецтрониц Ноисе анд Флуцтуатионс ин Солидс”, Цамбридге Университy Пресс