Шумы, обусловленные дискретностью вещества. Помехи

Лекция №17.

17. Естественные пределы точности измерений. Броуновское движение. Шумы, обусловленные дискретностью вещества. Шумы и помехи. Дробовый эффект. Шумы Найквиста. Фундаментальный источник погрешностей измерений – самодвижение материи.

Наряду с полезным сигналом на средства измерения действуют так же шумы и помехи. Их результатом является погрешность средства измерений.

Шум играет существенную роль во многих областях науки и техники: акустике, радиотехнике, радиолокации, радиоастрономии, теории информации, вычислительной технике, оптике, медицине и др.

Шумы – хаотически изменяющиеся во времени электромагнитные колебания, возникающие в разнообразных физических системах из-за беспорядочного движения носителей заряда.

В радиоэлектронных устройствах имеются два основных источника шумов: дискретная структура тока в усилительных элементах и тепловое движение свободных электронов в проводниках электрической цепи.

Шум квантования это функция g(t)=sвых(t)-s(t). Одной из важных характеристикой шума квантования является его спектральная характеристика и определение спектра квантования. Также различают шумы округления, чьи статистические параметры совпадают с шумом квантования.

Белый шум –стационарный случайный процесс, спектральная плотность мощности которого совпадает на всех частотах. Дисперсия белого шума бесконечно велика. Белый шум является абстрактной математической моделью и физически существовать не может из-за своей дисперсии.

Джонсоновский шум – это тепловой шум известный как «шум Джонсона». У него горизонтальный частотный спектр, т.е. одинаковая мощность шума на всех частотах (до некоторого предела).

Квазистационарный шум возникает в результате действия многих отдельных независимых источников (например, шум толпы людей, моря, производственных станков, шум на выходе радиоприёмника и др.).

Нестационарный шум длится короткие промежутки времени. К таким шумам относят, например, уличный шум проходящего транспорта, отдельные стуки в производственных условиях, редкие импульсные помехи в радиотехнике.

Радиоэлектронный шум – это случайные колебания токов и напряжений в радиоэлектронных устройствах, возникающие в результате неравномерной эмиссии электронов в электровакуумных приборах (дробовой шум, фликкер-шум), неравномерности процессов генерации и рекомбинации носителей заряда (электронов проводимости и дырок) в полупроводниковых приборах, теплового движения носителей тока в проводниках, теплового излучения (Земли и земной атмосферы, а также планет, Солнца, звёзд, межзвёздной среды, шумы космоса).

Рис 1Сжатие гладких сигналов с разным уровнем шумов.

Помехи –физические однородные процессы со входным или промежуточным сигналом и вызывающие появление погрешности.

Внешние помехи возникают из-за различных естественных электромагнитных процессов и создаются различного рода установками.

Внутренние помехивозникают из-за теплового движения частиц.

По основным свойствам помехи можно разделить на:

Флюктуационая помеха – представляет собой хаотическое беспорядоченное изменение во времени напряжения или тока в электрической цепи.

Сосредоточенная помеха – основная часть мощности которой сосредоточена на отдельных участках диапазонных частот, меньших полосы пропускания.

Импульсная помеха – регулярная или хаотическая последовательность импульсов, источникам могут быть цифровые узлы.