ضجيج (إلكترونيات)

في مجال الإلكترونيات ، يعد "الضجيج" تشويشاً غير مرغوب فيه في إشارة كهربائية.^[1]^:5 يختلف الضجيج الناتج عن الأجهزة الإلكترونية بشكل كبير حيث يتم إنتاجه من خلال العديد من التأثيرات المختلفة.

Analog display of random fluctuations in voltage in pink noise.

في نظم الاتصالات ، الضجيج هو خطأ أو اضطراب عشوائي غير مرغوب فيه لإشارة المعلومات مفيدة . فالضجيج هو جمع للطاقة غير المرغوب فيها أو المزعجة من المصادر الطبيعية وأحيانا من صنع الإنسان . ومع ذلك ، يتم تمييز الضجيج عادة عن التداخل ، ^[أ] على سبيل المثال في نسبة الإشارة إلى الضجيج ، [SNR) ، نسبة الإشارة إلى التداخل (SIR) و قياس الإشارة إلى الضجيج زائد نسبة التداخل (SNIR) . يتم تمييز الضجيج أيضًا بشكل نموذجي عن التشويه ، وهو تغيير منتظم غير مرغوب فيه لشكل موجة الإشارة بواسطة معدات الاتصالات ، على سبيل المثال في نسبة الإشارة إلى الضجيج والتشويه (SINAD) و قياس التوافقي الكلي تشويه زائد الضجيج (THD + N) .

على الرغم من أن الضجيج غير مرغوب فيه عمومًا ، إلا أنه قد يخدم غرضًا مفيدًا في بعض التطبيقات ، مثل إنشاء رقم عشوائي أو التردد أي الشلوك الغير حاسم dither.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

أنواع الضجيج

يتم إنشاء أنواع مختلفة من الضجيج بواسطة أجهزة مختلفة وعمليات مختلفة. الضجيج الحراري لا يمكن تجنبه في درجة حرارة غير صفرية (انظر نظرية التأرجح التبديد) ، في حين تعتمد الأنواع الأخرى في الغالب على نوع الجهاز (مثل ضجيج الطلقات),^[1]^[2]الذي يحتاج إلى حاجز احتمالي منحدر) أو جودة التصنيع و خلل أنصاف النواقل ، مثل ترددات التوصيل ، بما في ذلك ضجيج 1 / f.

الضجيج الحراري

مقال رئيسي: ضجيج جونسون نايكويست

^[1]ضوضاء جونسون نيكويست (ضوضاء حرارية أحيانًا ، ضوضاء جونسون أو نيكويست) أمر لا مفر منه ، وينتج عن الحركة الحرارية العشوائية لحاملات الشحنة (الإلكترونات عادة) ، داخل موصل كهربائي ، والذي يحدث بغض النظر عن أي جهد مطبق.

تكون الضوضاء الحرارية بيضاء تقريبًا ، مما يعني أن كثافة طيف القدرة الخاصة بها متساوية تقريبًا في جميع أنحاء طيف التردد. سعة الإشارة لها دالة كثافة احتمالية غاوسية تقريبًا. غالبًا ما يتم تصميم نظام الاتصال المتأثر بالضوضاء الحرارية كقناة ضوضاء غاوسية بيضاء مضافة (AWGN).

ضجيج الطلقات

مقال رئيسي: ضجيج الطلقات

تنتج ضوضاء الطلقات في الأجهزة الإلكترونية عن التقلبات الإحصائية العشوائية التي لا يمكن تجنبها للتيار الكهربائي عندما تمر حاملات الشحنة (مثل الإلكترونات) عبر فجوة. إذا كانت الإلكترونات تتدفق عبر حاجز ، فسيكون لها أوقات وصول منفصلة. تظهر تلك الوافدات المنفصلة ضوضاء طلقية. عادة ، يتم استخدام الحاجز في الصمام الثنائي.^[3] ضوضاء الطلقات تشبه الضوضاء الناتجة عن سقوط المطر على سقف من الصفيح. قد يكون تدفق المطر ثابتًا نسبيًا ، لكن قطرات المطر الفردية تصل بشكل منفصل.

يتم إعطاء قيمة الجذر التربيعي لتيار ضوضاءi_n اللقطة في صيغة شوتكي.

i_{n}={\sqrt {2Iq\Delta B}}

حيث I هو التيار المستمر ، q هو شحنة الإلكترون ، و ΔB هو عرض النطاق الترددي بالهرتز. تفترض صيغة شوتكي وصول مستقلة.

تُظهر الأنابيب المفرغة ضوضاء طلقة لأن الإلكترونات تغادر بشكل عشوائي الكاثود وتصل إلى القطب الموجب (اللوحة). قد لا يُظهر الأنبوب تأثير ضوضاء الطلقة الكاملة: يميل وجود شحنة فراغية إلى تخفيف أوقات الوصول (وبالتالي تقليل عشوائية التيار).

لا تُظهر الموصلات والمقاومات عادةً ضوضاء طلقة لأن الإلكترونات تتحول بالحرارة وتتحرك بشكل منتشر داخل المادة ؛ ليس للإلكترونات أوقات وصول منفصلة. تم إثبات ضوضاء الطلقية في المقاوماتالميزوسكوبية عندما يصبح حجم العنصر المقاوم أقصر من طول تشتت الإلكترون والفونون.^[4]

ضجيج الوميض

مقال رئيسيs: ضجيج فليكر and ضجيج 1/f

ضوضاء الوميض ، والمعروفة أيضًا باسم ضوضاء 1 / f ، هي إشارة أو عملية ذات طيف ترددي ينخفض بثبات إلى الترددات الأعلى ، مع طيف وردي. يحدث في جميع الأجهزة الإلكترونية تقريبًا وينتج عن مجموعة متنوعة من التأثيرات.

ضجيج الاندفاع

مقال رئيسي: ضجيج الاندفاع

تتكون ضوضاء الانفجار من انتقالات مفاجئة شبيهة بالخطوات بين اثنين أو أكثر من مستويات الجهد أو التيار المنفصل ، والتي تصل إلى عدة مئات من الميكروفولت ، في أوقات عشوائية وغير متوقعة. يستمر كل تحول في جهد الإزاحة أو التيار لعدة أجزاء من الألف من الثانية إلى الثواني. يُعرف أيضًا بضوضاء الفشار بسبب أصوات الفرقعة أو الطقطقة التي ينتجها في الدوائر الصوتية.

ضجيج زمن العبور

Iإذا أصبح الوقت الذي تستغرقه الإلكترونات للانتقال من الباعث إلى المجمع في الترانزستور مشابهًا لفترة تضخيم الإشارة ، أي عند الترددات التي تزيد عن التردد العالي جدًا وما بعده ، يحدث تأثير وقت العبور ومقاومة إدخال الضوضاء من الترانزستور تنخفض. من التردد الذي يصبح فيه هذا التأثير مهمًا ، يزداد مع التردد ويسيطر بسرعة على مصادر الضوضاء الأخرى.^[5]

ضوضاء مقترنة

بينما قد تتولد ضوضاء في الدائرة الإلكترونية نفسها ، يمكن إقران طاقة ضوضاء إضافية في دائرة من البيئة الخارجية ، عن طريق الاقتران الحثي أو الاقتران السعوي ، أو من خلال هوائي مستقبل الراديو.

المصادر

ضوضاء التضمين البيني: يحدث عندما تتشارك الإشارات ذات الترددات المختلفة في نفس الوسط غير الخطي.

تداخل الإشارات: ظاهرة تولد فيها الإشارة المرسلة في دائرة أو قناة واحدة لأنظمة الإرسال تداخلاً غير مرغوب فيه على إشارة في قناة أخرى.

التشويش: تعديل أو تعطيل إشارة تنتقل عبر وسيط

ضوضاء الغلاف الجوي: وتسمى هذه الضوضاء أيضًا بالضوضاء الساكنة وهي المصدر الطبيعي للاضطراب الناجم عن تفريغ البرق في العواصف الرعدية والاضطرابات الطبيعية (الكهربائية) التي تحدث في الطبيعة.

ضوضاء صناعية: مصادر مثل السيارات والطائرات ومحركات الإشعال الكهربائية ومعدات التحويل وأسلاك الجهد العالي ومصابيح الفلورسنت تسبب ضوضاء صناعية. تنتج هذه الضوضاء من التفريغ الموجود في كل هذه العمليات.

ضوضاء الشمس: الضوضاء التي تنشأ من الشمس تسمى ضوضاء الشمس. في الظروف العادية هناك إشعاع مستمر من الشمس بسبب ارتفاع درجة حرارتها. يمكن أن تنتج الاضطرابات الكهربائية مثل التفريغ الهالة ، وكذلك البقع الشمسية ضوضاء إضافية. تختلف شدة ضوضاء الشمس بمرور الوقت في الدورة الشمسية.

الضوضاء الكونية: تولد النجوم البعيدة ضوضاء تسمى الضوضاء الكونية. في حين أن هذه النجوم بعيدة جدًا بحيث لا تؤثر بشكل فردي على أنظمة الاتصالات الأرضية ، فإن عددها الكبير يؤدي إلى تأثيرات جماعية ملموسة. لوحظ التشويش الكوني في مدى من 8 ميجاهرتز إلى 1.43 جيجاهرتز ، التردد الأخير يقابل خط الهيدروجين 21 سم. بصرف النظر عن الضوضاء من صنع الإنسان ، فهو أقوى مكون على مدى حوالي 20 إلى 120 ميجاهرتز. تخترق الضوضاء الكونية الصغيرة التي تقل عن 20 ميجاهرتز طبقة الأيونوسفير ، في حين أن اختفائها النهائي عند ترددات تزيد عن 1.5 جيجاهرتز تحكمه على الأرجح الآليات التي تولده وامتصاصه بواسطة الهيدروجين في الفضاء بين النجوم. .^{[بحاجة لمصدر]}

تخفيف

في كثير من الحالات ، تكون الضوضاء الموجودة على إشارة في الدائرة غير مرغوب فيها. هناك العديد من تقنيات تقليل الضوضاء المختلفة التي يمكن أن تقلل الضوضاء التي تلتقطها الدائرة.

قفص فاراداي - يمكن استخدام قفص فاراداي الذي يحتوي على دائرة لعزل الدائرة عن مصادر الضوضاء الخارجية. لا يمكن لقفص فاراداي معالجة مصادر الضوضاء التي تنشأ في الدائرة نفسها أو تلك الموجودة في مدخلاتها ، بما في ذلك مصدر الطاقة.
الاقتران السعوي - يسمح الاقتران السعوي بإمكانية التقاط إشارة التيار المتردد من جزء من الدائرة في جزء آخر من خلال تفاعل المجالات الكهربائية. عندما يكون الاقتران غير مقصود ، يمكن معالجة التأثيرات من خلال تخطيط الدائرة المحسّن والتأريض.
الحلقات الأرضية - عند تأريض الدائرة ، من المهم تجنب الحلقات الأرضية. تحدث الحلقات الأرضية عندما يكون هناك فرق جهد بين وصلتين أرضيتين. هناك طريقة جيدة لإصلاح ذلك وهي إحضار جميع الأسلاك الأرضية إلى نفس الجهد في وصلة أرضية.
كبلات الحماية - يمكن اعتبار الكبل المحمي بمثابة قفص فاراداي للأسلاك ويمكنه حماية الأسلاك من الضوضاء غير المرغوب فيها في دائرة حساسة. يجب أن يكون الدرع مؤرضًا ليكون فعالًا. يمكن أن يؤدي تأريض الدرع إلى طرف واحد فقط إلى تجنب حدوث حلقة أرضية على الدرع.
الأسلاك المزدوجة الملتوية - سيؤدي التواء الأسلاك في الدائرة إلى تقليل الضوضاء الكهرومغناطيسية. يؤدي التواء الأسلاك إلى تقليل حجم الحلقة التي يمكن أن يمر بها مجال مغناطيسي لإنتاج تيار بين الأسلاك. قد توجد حلقات صغيرة بين الأسلاك الملتوية معًا ، لكن المجال المغناطيسي الذي يمر عبر هذه الحلقات يستحث تيارًا يتدفق في اتجاهات متعاكسة في حلقات بديلة على كل سلك وبالتالي لا يوجد تيار ضوضاء صافي.
مرشحات إيقاف النطاق - مرشحات Notch أو مرشحات رفض النطاق مفيدة للتخلص من تردد ضوضاء معين. على سبيل المثال ، تعمل خطوط الطاقة داخل مبنى بتردد خط 50 أو 60 هرتز. سوف تلتقط دائرة حساسة هذا التردد كضوضاء. يمكن لمرشح القطع المضبوط على تردد الخط إزالة الضوضاء.

تحديد المقايس

يُقاس مستوى الضوضاء في النظام الإلكتروني عادةً على أنه قوة كهربائية N بالواط أو ديسيبل ، أو جهد جذر متوسط التربيع (RMS) (مماثل للانحراف المعياري للضوضاء) بالفولت أو dBμV أو متوسط الخطأ التربيعي (MSE) بالفولت تربيع. يمكن أيضًا تمييز الضوضاء من خلال توزيعها الاحتمالي وكثافة الضوضاء الطيفية (N₀(f) بالواط لكل هرتز.

تعتبر إشارة الضوضاء عادةً إضافة خطية إلى إشارة معلومات مفيدة. مقاييس جودة الإشارة النموذجية التي تتضمن الضوضاء هي نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR أو S / N) ، نسبة الضوضاء إلى التكمية (SQNR) في التحويل والضغط التناظري إلى الرقمي ، ذروة نسبة الإشارة إلى الضوضاء (PSNR) ) في ترميز الصور والفيديو ، E_b/N₀ في الإرسال الرقمي ، نسبة الموجة الحاملة إلى الضوضاء (CNR) قبل الكاشف في الأنظمة المشكّلة بالناقل ، وعامل الضوضاء في مكبرات الصوت المتتالية.

الضوضاء عملية عشوائية تتميز بخصائص عشوائية مثل تباينها وتوزيعها وكثافتها الطيفية. يمكن أن يختلف التوزيع الطيفي للضوضاء باختلاف التردد ، لذلك تُقاس كثافة طاقتها بالواط لكل هرتز (W / Hz). نظرًا لأن القدرة في عنصر مقاوم تتناسب مع مربع الجهد عبره ، يمكن وصف جهد الضوضاء (الكثافة) بأخذ الجذر التربيعي لكثافة قدرة الضوضاء ، مما ينتج عنه فولت لكل جذر هرتز ( $\scriptstyle \mathrm {V} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }}$ ). عادةً ما تقتبس أجهزة الدوائر المتكاملة ، مثل المضخمات التشغيلية ، مستوى ضوضاء الإدخال المكافئ في هذه الشروط (في درجة حرارة الغرفة).

تُقاس قدرة الضوضاء بالواط أو ديسيبل (dB) بالنسبة إلى قدرة قياسية ، يشار إليها عادةً بإضافة لاحقة بعد ديسيبل. من أمثلة وحدات قياس مستوى الضوضاء الكهربائية dBu, dBm0, dBrn, dBrnC, and dBrn(f₁ − f₂), dBrn سطرا-144 ).

عادةً ما يُنظر إلى مستويات الضوضاء في مقابل مستويات الإشارة ولذلك يُنظر إليها غالبًا على أنها جزء من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR). تسعى أنظمة الاتصالات إلى زيادة نسبة مستوى الإشارة إلى مستوى الضوضاء من أجل نقل البيانات بشكل فعال. من الناحية العملية ، إذا كانت الإشارة المرسلة أقل من مستوى الضوضاء (غالبًا ما يتم تعيينها على أنها ضوضاء أرضية) في النظام ، فلا يمكن فك تشفير البيانات في جهاز الاستقبال.^{[بحاجة لمصدر]} الضوضاء في أنظمة الاتصالات هي نتاج لكل من المصادر الداخلية والخارجية النظام.

في نظام الاتصالات التناظرية لنطاق المرور المشكل بالناقل ، قد تؤدي نسبة معينة من الموجة الحاملة إلى الضوضاء (CNR) عند دخل مستقبل الراديو إلى نسبة إشارة إلى ضوضاء معينة في إشارة الرسالة المكتشفة. في نظام الاتصالات الرقمية ، قد ينتج عن نسبة معينة من E_b/N₀ (نسبة إشارة إلى ضوضاء طبيعية) معدل خطأ في البت معين.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ثبات

إذا كان مصدر الضوضاء مرتبطًا بالإشارة ، كما هو الحال في حالة الخطأ الكمي ، فإن الإدخال المتعمد للضوضاء الإضافية ، المسماة بالثبات ، يمكن أن يقلل الضوضاء الإجمالية في عرض النطاق الترددي محل الاهتمام. تسمح هذه التقنية باسترجاع الإشارات تحت عتبة الكشف الاسمية للأداة. هذا مثال على الرنين العشوائي.

أنظر أيضا

ألوان الضوضاء
جيل - ضوضاء إعادة التركيب
ضوضاء الفونون
تقليل الضوضاء وإلغاء الضوضاء للصوت والصور
مرشح مطابق لتقليل الضوضاء في أجهزة المودم
تصحيح الخطأ للإشارات الرقمية المعرضة للضوضاء.
اكتشاف إشعاع الميكروويف الخلفية الكونية

ملاحظات

^ على سبيل المثال. الحديث المتقاطع ، متعمد التشويش أو غير ذلك من التداخل الكهرومغناطيسي غير المرغوب فيه من أجهزة الإرسال محددة

المراجع

^ ^أ ^ب ^ت Motchenbacher, C. D.; Connelly, J. A. (1993). Low-noise electronic system design. Wiley Interscience. ISBN 0-471-57742-1.
^ Kish, L. B.; Granqvist, C. G. (November 2000). "Noise in nanotechnology". Microelectronics Reliability. Elsevier. 40 (11): 1833–1837. doi:10.1016/S0026-2714(00)00063-9.
^ Ott, Henry W. (1976), Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, John Wiley, ISBN 0-471-65726-3
^ Steinbach, Andrew; Martinis, John; Devoret, Michel (1996-05-13). "Observation of Hot-Electron Shot Noise in a Metallic Resistor". Phys. Rev. Lett. 76 (20): 38.6–38.9. Bibcode:1996PhRvL..76...38M. doi:10.1103/PhysRevLett.76.38.
^ Communication Theory. Technical Publications. 1991. p. 3–6. ISBN 9788184314472.