Ruido (electrónica)

Este artículo es sobre los procesos fundamentales de ruido. Para ruido derivados de fuentes externas, vea compatibilidad electromagnética y interferencia electromagnética.

Pantalla analógica de las fluctuaciones aleatorias en tensión: por ejemplo, ruido rosa.

En electrónica, ruido es una fluctuación al azar en una señal eléctrica, una característica de todos electrónica circuitos. Ruido generado por los dispositivos electrónicos varía enormemente, como puede ser producido por varios efectos diferentes. Ruido térmico es inevitable a temperatura cero (véase Teorema de la fluctuación-disipación), mientras que otros tipos dependen sobre todo de tipo de dispositivo (tales como ruido de disparo, que necesita la barrera potencial empinada) o calidad de fabricación y semiconductor defectos, tales como las fluctuaciones de la conductancia, incluyendo ruido 1/f.

En sistemas de comunicación, el ruido es un error o una perturbación indeseada al azar de una información útil señal en un canal de comunicación. El ruido es una suma de la energía no deseado o inquietante de fuentes naturales y artificiales a veces. Ruido es, sin embargo, típicamente distinguido de interferencia, (ej.: diafonía, deliberada jamming u otros no deseados interferencia electromagnética de los transmisores específicos), por ejemplo, en el relación señal / ruído (SNR), relación a-interferencia de la señal (SIR) y relación señal / ruído más interferencia Medidas (SNIR). Ruido también típicamente se distingue de distorsión, que es una alteración sistemática no deseada de la onda de la señal por el equipo de comunicación, por ejemplo en el relación señal a ruido y distorsión (SINAD). En un sistema de comunicación analógico banda pasante portadora modulada, una cierta Carrier-to-noise ratio (CNR) en el receptor de radio entrada resultaría en un determinado relación señal / ruído en la señal de mensaje detectado. En un sistema de comunicaciones digitales, un cierto E_b/N₀ (normalizada signal-to-noise ratio) resultaría en un determinado tasa de error de bit (BER).

Mientras que el ruido es generalmente no deseado, puede servir un propósito útil en algunas aplicaciones, tales como generación de números aleatorios o el tramado.

Tipos de ruido

Ruido térmico

Artículo principal: Ruido de Johnson-Nyquist

Ruido de Johnson-Nyquist (a veces térmico, ruido de Johnson o Nyquist) es inevitable y generado por el movimiento termal al azar de los portadores de carga (generalmente electrones), dentro de un conductor eléctrico, que ocurre independientemente de cualquier aplicación voltaje.

Ruido térmico es aproximadamente Blanco, lo que significa que su densidad espectral de potencia es casi igual a lo largo de la espectro de frecuencias. La amplitud de la señal tiene muy cerca un Gaussiano función de densidad de probabilidad. Un sistema de comunicación afectado por el ruido térmico es a menudo modelado como una aditivo ruido blanco gaussiano Canal (AWGN).

El media cuadrática Voltaje (RMS) debido al ruido térmico $v_n$, generados en una resistencia R (ohmios) más ancho de banda Δf (Hertz), está dada por

$v_{n} = \sqrt{ 4 k_B T R \Delta f }$

donde k_B es La constante de Boltzmann (julios por Kelvin) y T la resistencia es absoluta temperatura (kelvin).

Como la cantidad de ruido térmico generado depende de la temperatura del circuito, circuitos muy sensibles tales como Preamplificadores en telescopios de radio a veces son enfriados en nitrógeno líquido para reducir el nivel de ruido.

Ruido de disparo

Artículo principal: Ruido de disparo

Tiro de ruido en los resultados de los dispositivos electrónicos de inevitables fluctuaciones estadísticas al azar de la corriente eléctrica Cuando los portadores de carga (tales como electrones) atraviesan una brecha. La corriente es un flujo de cargas discretas y la fluctuación en la llegada de esos cargos crea ruido de disparo. Ruido de disparo es similar al ruido creado por la lluvia que cae sobre el tejado. El flujo de la lluvia puede ser relativamente constante, pero las gotas de lluvia llegan discretamente.

El valor de la media cuadrática del ruido del disparo actual i_n se obtiene mediante la fórmula de Schottky

$i_n = \sqrt{2 I q \Delta B}$

donde I es el DC corriente, q es la carga de un electrón, y ΔB es el ancho de banda en hertz.

El ruido de disparo asume salidas independientes. Tubos de vacío haber disparado ruido porque los electrones al azar sale el cátodo y llegan en el ánodo (placa). Un tubo no puede exhibir el efecto ruido de disparo completo: la presencia de un carga espacial tiende a suavizar los tiempos de llegada (y así reducir la aleatoriedad de la corriente).

Los conductores y los resistores normalmente no exhiben tiro ruido porque los electrones thermalize y diffusively se mueven dentro del material; los electrones no tienen tiempos de llegada discreta. Ruido de disparo ha sido demostrada en mesoscópica resistencias cuando el tamaño del elemento resistente llega a ser más corto que la longitud de dispersión electron-phonon.

Ruido de parpadeo

Artículo principal: Ruido de parpadeo

Ruido, también conocido como 1 parpadeo /f ruido, es una señal o un proceso con un espectro de frecuencias que cae constantemente en las frecuencias más altas, con una Rosa espectro. Ocurre en casi todos los dispositivos electrónicos y resulta de una variedad de efectos, aunque siempre está relacionado con una corriente directa.

Ruido de intermodulación

Este tipo de ruido es causada cuando las señales de diferentes frecuencias comparten el mismo medio.

Diafonía

Esto es indeseado de acoplamiento de señales.

Ruido impulsivo

pico corto ejemplo ruido relámpago, perturbaciones eléctricas, fallas en el sistema de comunicación

Interferencia

Fuentes de contaminación por varias señales de humanos transmisores de líneas de alimentación de ejemplo no desaparece cuando se apaga la señal.

Ruido de explosión

Artículo principal: Ruido de explosión

Explosión de ruido consiste en transiciones repentinas como paso entre dos o más niveles (non-Gaussiano), tan alto como varios cientos µV, en momentos aleatorios e impredecibles. Cada cambio en el voltaje de desvío o actual dura varios milisegundos, y los intervalos entre pulsos tienden a ser en el audio rango (menos de 100 Hz), llevando a término ruido de palomitas de maíz para los sonidos de estallido o crujidos produce en circuitos de audio.

Tiempo de tránsito ruido

Si el tiempo tomado por los electrones de viajar desde emisor a colector llega a ser comparable al período de la señal de ser amplificada, es decir, a frecuencias por encima VHF y más allá, llamado efecto del tiempo de tránsito ocurre y ruido de entrada admisión de la transistor aumenta. De la frecuencia en que este efecto se convierte en importante que va aumentando con frecuencia y domina rápidamente otros términos.

Ruido de avalancha

Ruido de avalancha es el ruido producido cuando se utiliza un diodo de Unión en el inicio de desglose de avalancha, un ensambladura del semiconductor fenómeno en el cual los portadores en un gradiente de alto voltaje desarrollan suficiente energía para desalojar portadores adicionales a través de impacto físico, creando los flujos actuales desiguales.

Ruido acoplado

Vea también: Compatibilidad electromagnética

Energía externo del receptor puede acoplar ruido, también por conversión de la energía. Generalmente esto se hace mediante interacción fundamental, en la electrónica principalmente por Acoplamiento inductivo o acoplamiento capacitivo.

Ruido atmosférico (ruido estático)

Artículo principal: Ruido atmosférico

Este ruido es también llamado ruido estático y es la fuente natural de disturbio causado por relámpago descarga de la tormenta y los disturbios de natural(electrical) que ocurren en la naturaleza.

Ruido industrial

Fuentes tales como automóviles, aviones, motores eléctricos de encendido y cambio de engranaje, alto voltaje cables y lámparas fluorescentes causar ruido industrial. Estos ruidos son producidos por la descarga presente en todas estas operaciones.

Ruido extraterrestre

Ruido del exterior la tierra incluye:

Ruido solar

Ruido que se origina en la Sol se llama ruido solar. En condiciones normales es constante radiación del sol debido a su alta temperatura. Perturbaciones eléctricas tales como descargas de corona, así como manchas solares puede producir ruido adicional.

Ruido cósmico

Artículo principal: Ruido cósmico

Estrellas lejanas generan ruido llamado ruido cósmico. Mientras que estas estrellas están demasiado lejos para individualmente afectan terrestre sistemas de comunicaciones, su número grande conduce a efectos apreciables colectivos. Ruido cósmico se ha observado en un rango de 8 MHz a 1,43 GHz.

Reducción de acoplamiento del ruido

En muchos casos es indeseado ruido en una señal en un circuito. Cuando se crea un circuito, generalmente uno quiere que una verdadera salida de lo que el circuito ha logrado. Hay muchas técnicas de reducción de ruido diferentes que pueden cambiar una señal ruidosa salida alterado a una señal de salida más teórica.

1. Jaula de Faraday – A Jaula de Faraday es una buena manera de reducir el ruido total en un circuito completo. La jaula de Faraday puede ser considerada como un recinto que separa el circuito completo de líneas de energía exterior y cualquier otra señal que puede alterar la señal verdadera. Una jaula de Faraday se bloqueará generalmente ruido más electrostáticas y electromagnéticas.
2. Acoplamiento capacitivo – una corriente a través de dos resistencias, o cualquier otro tipo de conductor, uno junto al otro en un circuito puede crear no deseado acoplamiento capacitivo. En este caso una señal AC de una parte del circuito puede ser accidentalmente recogida en otra parte. Las dos resistencias (conductores) actúan como un condensador así transferir señales de CA. Puede haber otras razones para las cuales se busca acoplamiento capacitivo, pero entonces podría no ser pensado como ruido electrónico.
3. Bucles de masa – cuando un circuito de puesta a tierra es importante evitar bucles de masa. Bucles de masa ocurren cuando hay una caída de tensión entre los potenciales de dos planta. Puesto que el suelo es considerado como 0V, la presencia de un voltaje es indeseable en cualquier punto de un bus de tierra. Si este es el caso, no sería un verdadero terreno. Una buena manera de arreglar esto es traer todos los cables de tierra con el mismo potencial en un bus de tierra.
4. Blindaje de los cables – en general, con cables blindados las frecuencias en un circuito sensible es una buena práctica para proteger los cables de los ruidos no deseados. Un cable blindado puede ser pensado como una pequeña jaula de Faraday para un cable específico que utiliza un plástico o goma que encierra el verdadero hilo. A las afueras del caucho/plástico cubierta es un metal conductivo que intercepta cualquier señal de ruido. Porque el metal conductivo es castigado, la señal de ruido corre directamente a tierra, antes de llegar al alambre de verdad. Es importante que el escudo de tierra en sólo uno de los extremos para evitar un bucle de tierra sobre el escudo.
5. Cableado de par – Twisted Torcer los cables muy estrechamente juntos en un circuito reducirá dramáticamente el ruido electromagnético. Torcer los cables reduce el tamaño de bucle en el que un campo magnético puede correr a través de producir una corriente entre los cables. Incluso si los cables están torcidos apretadamente, todavía puede haber pequeños círculos en alguna parte entre ellos, sino porque ellos están torcidas del campo magnético, pasando por los más pequeños lazos induce una corriente que fluye de manera opuesta en cada cable y así les cancela hacia fuera.
6. Muesca filtros – filtros de muesca o filtros de rechazo de la banda son esenciales al eliminar una frecuencia específica de ruido. Por ejemplo, en la mayoría de los casos las líneas de energía dentro de un edificio en 60 Hz. A veces un circuito sensible recogerá este ruido de 60 Hz a través de una antena no deseado (podría ser tan simple como un alambre en el circuito). Ejecuta la salida a través de un filtro de muesca a 60 Hz amplificará la señal deseada sin amplificar el ruido de 60 Hz. Así que en cierto sentido el ruido se perderá en la salida del filtro.

Cuantificación

El nivel de ruido en un sistema electrónico se mide normalmente como un eléctrico potencia N en vatios o dBm, un media cuadrática Voltaje (RMS) (idéntico al ruido desviación estándar) en voltios, dBμV o un error al cuadrado es decir (MSE) en voltios al cuadrado. Ruido también puede caracterizarse por su distribución de probabilidad y densidad espectral del ruido N₀(f) en vatios por hertz.

Una señal de ruido se considera normalmente como una adición lineal a una señal de información útil. Las medidas de calidad de señal típica que implican ruido son relación señal / ruído (SNR o S/N), señal de cuantización de ruido (SQNR) en conversión de analógico a digital y compresión, relación señal a ruido de pico (RNPS) en imagen y codificación de vídeo, E_b/N₀ en la transmisión digital, portadora / ruido (CNR) antes del detector en sistemas de portador-modulada, y figura de ruido en amplificadores en cascada.

El ruido es un proceso aleatorio, caracterizado por estocástico propiedades tales como su varianza, distribución, y densidad espectral. La distribución espectral de ruido puede variar con frecuencia, así que su densidad de energía se mide en watts por hertz (W/Hz). Desde el poder en un resistiva elemento es proporcional al cuadrado de la tensión a través de él, voltaje de ruido (densidad) puede ser descrito por tomar la raíz cuadrada de la densidad de potencia de ruido, resultando en voltios por raíz hertz)$\scriptstyle \mathrm{V}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$). Circuito integrado dispositivos, tales como amplificadores operacionales comúnmente citar ruido de entrada equivalente nivel en estos términos (a temperatura ambiente).

Potencia de ruido se mide en watts o decibelios (dB) relativa a una potencia estándar, generalmente indicada mediante la adición de un sufijo después de dB. Son ejemplos de unidades de medida de nivel de ruido eléctrico dBu, dBm0, dBrn, dBrnCy (dBrnf₁ − f₂), dBrn(144-línea).

Los niveles de ruido son usualmente vistos en oposición a niveles de señal Así que a menudo se consideran parte de un relación señal / ruído (SNR). Sistemas de telecomunicación se esfuerzan por aumentar la relación entre el nivel de señal a ruido con el fin de transmitir eficazmente los datos. En la práctica, si la señal transmitida cae por debajo del nivel del ruido (a menudo señalado como el piso de ruido) en el sistema de datos ya no pueden ser decodificados en el receptor. Ruido en sistemas de telecomunicación es un producto de fuentes internas y externas al sistema.

"Dither"

Si la fuente de ruido está correlacionada con la señal, tales como en el caso de error de cuantificación, la introducción intencional de ruido adicional, llamado "dither", puede reducir el ruido total en el ancho de banda de interés. Esta técnica permite la recuperación de las señales por debajo del umbral de detección nominal del instrumento. Este es un ejemplo de resonancia estocástica.

Véase también

• Descubrimiento de la radiación de fondo cósmico de microondas
• Ruido de generación – recombinación
• Filtro combinado para reducir el ruido en módems
• Reducción de ruido y cancelación de ruido de audio e imágenes
• Corrección de errores las señales digitales sometidos a ruido.
• Ruido de Phonon

Referencias

• Calculadora de ruido blanco, ruido termal - voltaje en microvoltios, conversión a nivel de ruido en dBu y dBV y viceversa
• Este artículo incorporamaterial de dominio público desde el Administración de servicios generales documento "Federal estándar 1037C" (en apoyo de MIL-STD-188).
• Scherz, Paul. (2006, 14 de Nov) Electrónica práctica para inventores. Ed. McGraw-Hill.

Lectura adicional

• Ksh Kogan (1996). Las fluctuaciones en los sólidos y ruido electrónico. Cambridge University Press. ISBN0-521-46034-4.

Enlaces externos

• Estudio de ruido filtro activo (Sallen & Key)

Otras Páginas

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