Понятия искажения и шума при обработке сигналов в ограниченной степени пересекаются, но это разные явления. Искажение в сигнале - это изменение формы или какой-либо другой характеристики сигнала. Напротив, шум - это внешний случайный сигнал, добавленный к исходному сигналу. Устранить эффекты шума сложнее, чем устранить эффекты искажений. Шум также имеет более стохастическую природу по сравнению с искажениями.
Типичный электронный сигнал, свободный от искажений, состоит из передаточной функции, в которой выходной сигнал y(t) является функцией только входного сигнала x: y(t) = F(x)(t). Искажение присутствует при наличии любого из этих условий:
F - нелинейная функция. Контуры фазовой автоподстройки, детекторы и смесители - все это нелинейные схемы. Математически нелинейный фильтр выводит сигналы R и S для двух входных сигналов r и s раздельно, но не всегда выводит aR + βS, когда вход представляет собой линейную комбинацию ar + βs.
Обычные фильтры верхних и нижних частот также могут вызывать искажения. Фильтр высоких частот может исказить форму прямоугольной волны, удалив некоторые или все низкочастотные компоненты. Фильтр нижних частот может скруглить углы прямоугольной волны, удалив высокочастотные компоненты.
Ламповый усилитель может быть умеренно нелинейным, слегка сжимая пик синусоидальной волны. Генерируется небольшое количество гармоник низкого порядка. Передаточная функция отсечения генерирует гармоники более высокого порядка. Те части передаточной функции, которые являются плоскими, указывают на полную потерю информации о входном сигнале во время плоских интервалов. Это пример серьезного искажения.
Амплитудное искажение возникает, когда выходная амплитуда не является линейной функцией входной амплитуды.
Гармоническое искажение вносит свой вклад в обертоны, которые состоят из целых чисел, кратных основному. В случае чисто синусоидального входного сигнала часто система генерирует нелинейности, которые проявляются на выходе. Звукоинженеры и разработчики систем измеряют эту энергию как общее гармоническое искажение (THD) или, поочередно, THD плюс шум, обычно это более релевантный показатель.
Чтобы быть точным, THD определяется как отношение суммы мощностей всех гармонических составляющих к мощности основной частоты. В аудиосистемах крайне желательно снизить уровень искажений, поскольку динамики, усилители, микрофоны или другое нелинейное оборудование обеспечивают более точное воспроизведение событий на сцене или в студии. В радиосвязи гармонические искажения расширяют частотный спектр на выходе, таким образом, устройства с высоким разрешением плохо справляются с разделением спектра и распознаванием.
В энергосистемах высокий THD приравнивается к более высоким пиковым токам, нагреву, электромагнитным излучениям и потерям в сердечнике электродвигателей. Лучшие практики и требования к регулированию гармоник в системах электроснабжения можно найти в стандарте IEEE std 519-2014.
Шум, отображаемый на экране осциллографа. Обратите внимание, что, поскольку это логарифмическая функция, она стремится к нулю на оси.
Шум отличается от искажения тем, что он добавляется к интересующему сигналу. Классическим примером является тепловой шум или шум Джонсона-Найквиста. Любое устройство, компонент или проводник генерирует тепловой шум, если оно не охлаждено близко к 0°K. Этот шум Джонсона-Найквиста неизбежен. Он возникает в результате случайного теплового движения электронов или других внутренних носителей заряда и возникает даже при отсутствии приложенного напряжения. Его спектральная плотность одинакова по всему частотному спектру, поэтому он считается белым шумом.
Приборы для отображения частоты, такие как анализаторы спектра, показывают характерный нерегулярный колеблющийся след в нижней части экрана. Это известно как минимальный уровень шума и представляет собой случайное субатомное движение. Ни один сигнал не может быть обнаружен ниже этого уровня шума, поэтому разработчики приборов постоянно пытаются снизить этот уровень шума, чтобы улучшить чувствительность к слабым сигналам.
Дробовой шум является результатом случайных колебаний электрического тока, когда электроны пересекают потенциальный барьер (разность напряжений). Классическим примером является диод с PN-переходом. Когда электроны и дырки пересекают барьер, возникает дробовой шум. Более конкретно, дробовой шум возникает из–за дискретной природы электрического заряда - носители заряда демонстрируют дискретное время прибытия. В аудио шум выстрела напоминает капли дождя, падающие на стальную крышу. В макромасштабе дождь идет постоянно, но отдельные капли дождя - это дискретные события.
Вакуумные трубки также демонстрируют дробовой шум, поскольку электроны ударяются о анод случайным образом. Однако в вакуумной лампе это явление не так ярко выражено, как в полупроводниках, из-за объемного заряда, который смягчает эффект. Шум выстрела не проявляется в проводниках и резисторах из-за плавного движения носителей заряда, что выравнивает время их прихода.
Существует несколько других типов шума, представляющих интерес для электроники. Шум разделения возникает, когда ток делится по крайней мере между двумя путями. Это возникает из-за случайных колебаний в делении. На звуковых частотах это звучит примерно как звук выстрела. Мерцающий шум, также известный как шум 1/f, характеризуется частотным спектром, который неуклонно уменьшается по мере увеличения частоты. Он также известен как розовый шум. Поскольку он уменьшается с увеличением частоты, выше примерно 500 Гц это, как правило, не представляет большой проблемы. Пакетный шум – также называемый шумом попкорна, импульсным шумом, бистабильным шумом или шумом случайного телеграфного сигнала (RTS) – состоит из внезапных ступенчатых переходов между двумя или более дискретными уровнями напряжения или тока и происходит в случайное и непредсказуемое время. При воспроизведении звука звук напоминает лопающиеся через неравномерные промежутки времени зернышки попкорна. Единого источника импульсного шума не существует, но наиболее распространенной причиной является случайное улавливание и высвобождение носителей заряда на границе раздела тонких пленок или в местах дефектов в объемном полупроводниковом кристалле. Шум во время прохождения напоминает шум выстрела и становится более выраженным в меньших компонентах из-за квантованной природы электричества. Шум времени прохождения возникает, когда период частоты сигнала совпадает со временем прохождения электрона от отправителя к получателю. По мере того как размеры устройства приближаются к длине волны на более высоких частотах, амплитуда времени прохождения увеличивается, скрывая другие типы шума.
Есть несколько других источников шума, которые иногда возникают. Реактивная связь вносит помехи извне схемы через реактивные элементы (конденсаторы и катушки индуктивности), например, через приемную антенну. Интермодуляционный шум - это немного неправильное название. На самом деле это относится к паразитным частотным составляющим, генерируемым при прохождении двух или более сигналов через нелинейное устройство. Таким образом, это продукты интермодуляции, которые содержат как суммарные, так и разностные произведения задействованных частот. На самом деле это искажение, а не электронный шум в строгом смысле этого слова, потому что оно не возникает извне системы.
Оригинальный веб-сайт статьи:
