Кіріспе
Электр сигналындағы кездейсоқ ауытқулар электроникадағы негізгі шу процестері. Электроникада шу – электр сигналының қаламаған бұзылысы. Электрондық құрылғылар тудыратын шу әртүрлі факторларға байланысты өте кең ауқымды болады. Атап айтқанда, шу физиканың ажырамас бөлігі және термодинамиканың маңызды құралы. Электрлік кедергісі бар кез келген өткізгіш іштен жылулық шу тудырады. Электроникадағы жылулық шуды толығымен жою тек криогендік жағдайларда ғана мүмкін, тіпті сонда да кванттық шу қалады. Электрондық шу – сигналды өңдеудегі шудың жиі кездесетін компоненті. Байланыс жүйелерінде шу – байланыс арнасындағы пайдалы ақпараттық сигналдың қатесі немесе қаламаған кездейсоқ бұзылысы. Шу – табиғи және кейде адам жасаған көздерден туындайтын қажетсіз энергияның жиынтығы. Дегенмен, шуды кедергіден ажырату қажет, мысалы, сигнал-шу арақатынасы (SNR), сигнал-кедергі арақатынасы (SIR) және сигнал-шу және кедергі арақатынасы (SNIR) көрсеткіштерінде. Шуды бұрмалаудан да ажыратады, бұрмалау – байланыс жабдықтарының сигнал формасын қалаусыз, жүйелі түрде өзгертуі, мысалы, сигнал-шу және бұрмалау арақатынасы (SINAD) және жалпы гармоникалық бұрмалау және шу (THD+N) көрсеткіштерінде. Шу көбінесе қаламаған болса да, кейбір қолдануларда, мысалы, кездейсоқ сандарды жасау немесе дитерлік жүйелерде пайдалы болып табылады. Бір-бірімен байланысы жоқ шу көздері олардың қуатының қосындысына сәйкес жинақталады.
fundamental noise processes in electronics
In electronics, noise is an unwanted disturbance in an electrical signal. Noise generated by electronic devices varies greatly as it is produced by several different effects. In particular, noise is inherent in physics and central to thermodynamics. Any conductor with electrical resistance will generate thermal noise inherently. The final elimination of thermal noise in electronics can only be achieved cryogenically, and even then quantum noise would remain inherent. Electronic noise is a common component of noise in signal processing. In communication systems, noise is an error or undesired random disturbance of a useful information signal in a communication channel. The noise is a summation of unwanted or disturbing energy from natural and sometimes man made sources. Noise is, however, typically distinguished from interference, for example in the signal to noise ratio (SNR), signal to interference ratio (SIR) and signal to noise plus interference ratio (SNIR) measures. Noise is also typically distinguished from distortion, which is an unwanted systematic alteration of the signal waveform by the communication equipment, for example in signal to noise and distortion ratio (SINAD) and total harmonic distortion plus noise (THD+N) measures. While noise is generally unwanted, it can serve a useful purpose in some applications, such as random number generation or dither. Uncorrelated noise sources add according to the sum of their powers.
Шудың түрлері
Әртүрлі құрылғылар мен процестер әртүрлі типтегі шу тудырады. Жылу шуы нөлдік емес температурада қашынып болмайды (қозғалыс-тарату теоремасын қараңыз), ал қалғандары көбінесе құрылғы түріне (мысалы, тік потенциалдық тосқауылды қажет ететін соққы шуы) немесе өндіріс сапасы мен жартылай өткізгіштердегі ақауларға байланысты, мысалы, өткізгіштіктің құбылуы, соның ішінде 1/f шуы.
Жылу шуы
Джонсон-Найквист шуы, атыс шуы, қақталақ шатырға жауған жаңбырдың тудырған шуына ұқсас. Жаңбыр ағыны салыстырмалы түрде тұрақты болуы мүмкін, бірақ жеке тамшылар дискретті түрде келіп түседі. Атыс шуының орташа квадраты Шотки формуласымен беріледі, мұндағы I – тұрақты ток, q – электрон заряды, ал ΔB – герцтегі өткізу қабілетінің ені. Шотки формуласы тәуелсіз келулерді қарастырады. Вакуумдық түтіктерде атыс шуы пайда болады, себебі электрондар катодтан кездейсоқ шығып, анодқа (пластинаға) жетеді. Түтік толық атыс шуы әсерін көрсетпеуі мүмкін: кеңістіктік зарядтың болуы келу уақытын тегістеуге және осылайша ток кездейсоқтығын азайтуға бейім. Пентодтар және экрандық торлы тетродтар триодтарға қарағанда көбірек шу тудырады, өйткені катод тогы экрандық тор мен анод арасында кездейсоқ бөлінеді. Жетекшілер мен резисторлар әдетте атыс шуын көрсетпейді, себебі электрондар материал ішінде термалданып, диффузиялық қозғалыс жасайды; электрондардың дискретті келу уақыты болмайды. Мезоскопиялық резисторларда, резистивті элементтің мөлшері электрон-фонон шашырау ұзындығынан қысқа болғанда, атыс шуы көрсетілген.
Бөлімшелер шуы
Ағым екі (немесе одан көп) бағытқа бөлінетін жерде, осы бөліну кезінде туындайтын кездейсоқ құбылыстар нәтижесінде шу пайда болады. Сондықтан, транзистордың шу деңгейі, оның екі PN торабының атылу шуының қосындысынан жоғары болады.
Жарылдаған дыбыс
Фликер шуы, сондай-ақ 1/f шуы деп аталады, – жиілік спектрі жоғары жиіліктерге қарай бірте-бірте төмендейтін сигнал немесе процесс, оның спектрі қызғылт түсті болады. Ол дерлік барлық электрондық құрылымдарда кездеседі және түрлі себептерден туындайды.
Жарылыс шуы
Жарылыс шуы – кездейсоқ және болжауға болмайтын уақыттарда екі немесе одан көп дискретті кернеу немесе ток деңгейлері арасындағы бірнеше жүз микровольтқа дейінгі кенеттен қадамдық өтесістерден тұрады. Кернеудің немесе ток күшінің әрбір өтесісі бірнеше миллисекундтан секундқа дейінге созылады. Бұл шу, аудио тізбектерінде тудыратын жарылыс немесе сықырлаған дыбыстарға байланысты "попкорн шуы" деп те аталады.
Транзит уақытындағы шу
Егер транзисторда электрондардың эмиттерден коллекторға жетуге кеткен уақыты күшейтіліп жатқан сигналдың периодымен шамалас болса, яғни VHF және одан жоғары жиіліктерде транзит уақытының әсері пайда болады, соның салдарынан транзистордың шу кіріс кедергісі төмендейді. Бұл әсер маңызды бола бастаған жиіліктен бастап, жиілік артумен бірге өседі және шудың басқа көздерінен тез басым түседі.
Қосқан шу
Электрондық тізбекте шу пайда болуы мүмкін, бірақ сыртқы ортадан индуктивті немесе сыйымдылық байланысы арқылы, сондай-ақ радио қабылдағыштың антеннасы арқылы қосымша шу энергиясы тізбекке түсуі де мүмкін.
Жеңілдіктер
Көп жағдайда схемадағы сигналдағы шу қажетсіз болып келеді. Сұлбаға түсетін шуды азайтуға болатын көптеген шуды азайту техникалары бар. Фарадей клеткасы – Сұлбаны қоршаған Фарадей клеткасы схеманы сыртқы шу көздерінен оқшаулау үшін қолданылуы мүмкін. Фарадей клеткасы схеманың өзінен немесе оның кірістерінен, соның ішінде қуат көзінен туындайтын шу көздерін жоюға жарамайды. Сыйымдылық байланысы – Сыйымдылық байланысы схеманың бір бөлігінен келетін айнымалы ток сигналын электр өрістерінің әрекеттесуі арқылы басқа бөлігінде қабылдауға мүмкіндік береді. Егер байланыс қажет болмаса, оны схеманың орналасуын жақсарту және жерге қосу арқылы түзетуге болады. Жерге тұйықталу контурлары – Сұлбаны жерге қосу кезінде жерге тұйықталу контурларын болдырмау маңызды. Жерге тұйықталу контурлары екі жерге қосылу арасындағы кернеудің айырмашылығы болғанда пайда болады. Оны түзетудің ең жақсы жолы – барлық жер сымдарын жерге қосу шинасындағы бірдей потенциалға келтіру. Қорғалған кабельдер – Қорғалған кабельді сымдарды орнату үшін Фарадей клеткасы ретінде қарастыруға болады және сезімтал схемадағы қажетсіз шудан сымдарды қорғауға мүмкіндік береді. Қорғаныш тиімді болуы үшін оны жерге қосу керек. Қорғанышты тек бір жағынан жерге қосу, қорғанышта жерге тұйықталу контурының пайда болуын болдырмайды. Бұралған жұп сымдар – Схемадағы сымдарды бұрау электромагниттік шуды азайтады. Сымдарды бұрау, сымдар арасында ток тудыруға болатын магнит өрісінің өтетін орамын кішірейтеді. Бұралған сымдар арасында кішкентай орамдар болуы мүмкін, бірақ осы орамдар арқылы өтетін магнит өрісі әр сымдағы кезектесетін орамдарда қарама-қарсы бағытта ток ағынын тудырады, сондықтан жалқы шу тогы болмайды. Нотч-сүзгілер – Нотч-сүзгілер немесе жолақты тоқтату сүзгілері белгілі бір шу жиілігін жою үшін пайдалы. Мысалы, ғимарат ішіндегі қуат желілері 50 немесе 60 Гц жиілікте жұмыс істейді. Сезімтал схема бұл жиілікті шу ретінде қабылдайды. Желі жиілігіне реттелген нотч-сүзгі шуды жоюға мүмкіндік береді. Жылу шуын схемаларды салқындату арқылы азайтуға болады, бірақ бұл әдетте жоғары дәлдікті қажет ететін және құны жоғары қолдануларда, мысалы радиотелескоптарда қолданылады.
Сандық анықтау
Электрондық жүйедегі шу деңгейі әдетте электр қуаты N Ватт немесе dBm, орташа квадрат (RMS) кернеуі (шудың стандартты ауытқуымен бірдей) вольт, dBμV немесе орташа квадрат қате (MSE) вольт квадрат ретінде өлшенеді. Электр шу деңгейін өлшеу бірліктерінің мысалдары: dBu, dBm0, dBrn, dBrnC және dBrn(f1 − f2), dBrn(144 сызық). Шуды ықтималдық үлестірімімен және шудың спектрлік тығыздығы N0(f) Ватт/герцпен сипаттауға болады. Шу сигналы әдетте пайдалы ақпараттық сигналға сызықтық қосымша ретінде қарастырылады. Шуды қамтитын сигнал сапасының типтік өлшемдері – сигнал-шу арақатынасы (SNR немесе S/N), аналогты-цифрлық түрлендіру мен сығыудағы сигнал-кванттау шу арақатынасы (SQNR), бейне және бейне кодтаудағы ең жоғары сигнал-шу арақатынасы (PSNR) және каскадты күшейткіштердегі шу көрсеткіші. Тасымалдаушы модуляцияланған кең жолақты аналогты байланыс жүйесінде радио қабылдағыштың кірісіндегі белгілі бір тасымалдаушы-шу арақатынасы (CNR) анықталған хабарлама сигналында белгілі бір сигнал-шу арақатынасына әкеледі. Цифрлық байланыс жүйесінде белгілі бір Eb/N0 (нормаланған сигнал-шу арақатынасы) белгілі бір бит қателік деңгейіне әкеледі. Телекоммуникациялық жүйелер деректерді тиімді беру үшін сигнал деңгейі мен шу деңгейінің арақатынасын арттыруға тырысады. Телекоммуникациялық жүйелердегі шу жүйеге ішкі және сыртқы көздерден туындайды. Шу – кездейсоқ процесс, оның дисперсиясы, таралуы және спектрлік тығыздығы сияқты стохастикалық қасиеттерімен сипатталады. Шудың спектрлік үлестірілуі жиілікке байланысты өзгеруі мүмкін, сондықтан оның қуат тығыздығы ватт/герц (Вт/Гц) өлшемдерінде өлшенеді. Кедергі элементіндегі қуат оның үстіндегі кернеудің квадратына пропорционалды болғандықтан, шу кернеуін (тығыздығын) шу қуат тығыздығының квадрат түбірін алу арқылы сипаттауға болады, нәтижесінде вольт/төбе герцке тең болады. Операциялық күшейткіштер сияқты интегралды схема құрылғылары әдетте осы терминдерде (бөлме температурасында) эквивалентті кіріс шу деңгейін көрсетеді.
Дитер
Егер шу көзі сигналмен байланысты болса, мысалы, кванттау қатесі сияқты жағдайларда, дитер деп аталатын қосымша шуды қасақана енгізу, қызығушылық тудыратын жиілік диапазонындағы жалпы шуды азайтуға мүмкіндік береді. Бұл техника құралдың номиналды анықтау шегінен төменгі сигналдарды да анықтауға жарайды. Бұл стохастикалық резонанстың бір мысалы.