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.

При анализе передачи сигналов по радиоэлектронным цепям наряду с неизбежными искажениями формы сигналов необходимо учитывать так же и собственные шумы цепи. Эти шумы накладываясь на сигнал, ограничивают информационную емкость последнего. Проблема шумов особенно актуальна при усилении слабых сигналов.

Шум играет существенную роль во многих областях науки и техники: акустике, радиотехнике, радиолокации, радиоастрономии, теории информации, вычислительной технике, оптике, медицине и др. Шум, независимо от физической природы, отличается от периодических колебаний случайным изменением мгновенных значений величин, характеризующих данный процесс. Часто Шум представляет собой смесь случайных и периодических колебаний. Для описания Шум применяют различные математические модели в соответствии с их временной, спектральной и пространственной структурой. Для количественной оценки Шум пользуются усреднёнными параметрами, определяемыми на основании статистических законов, учитывающих структуру Шум в источнике и свойства среды, в которой Шум распространяется.

С шумами и помехами связано много явлений, например «Дробовый Эффект» и «шум Найквиста». Термин "Дробовой эффект" (а также дробовой шум) возник в связи с тем, что благодаря ему в громкоговорителе подключённом к выходу усилителя или радиоприёмника, появляется акустический шум, напоминающий шум сыплющихся дробинок. Формула Найквиста широко используется при расчёте тепловых шумов в измерительных и радиотехнических устройствах.

17.1. Шумы, обусловленные дискретностью вещества. Помехи

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. Механизм образования шума зависит от ряда физических и конструктивных особенностей усилительных элементов

Шумом квантования называется функция g(t)=sвых(t)-s(t) – при изменении в широких пределах амплитуды и частоты гармонических колебаний s(t) изменяется только частота следования зубцов: форма их остается близкой к треугольной при неизменной амплитуде, важной 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. Однако в тех случаях, когда полоса пропускания исследуемой системы существенно уже эффективной ширины спектра шума, который на нее воздействует, можно для упрощения анализа приближенно заменить реальный случайный процесс белым шумом

Джонсоновский шум - любой резистор генерирует на своих выводах некоторое напряжение шума, известное как «шум Джонсона» (тепловой шум). У него горизонтальный частотный спектр, т.е. одинаковая мощность шума на всех частотах (до некоторого предела). Активная составляющая полного сопротивления источника порождает шум Джонсона; так же действуют резисторы цепей смещения и нагрузки усилителя.

Квазистационарный шум – практически наблюдаемый шум, возникающий в результате действия многих отдельных независимых источников (например, шум толпы людей, моря, производственных станков, шум вихревого воздушного потока, шум на выходе радиоприёмника и др.).

Нестационарный шум – длящийся короткие промежутки времени (меньше, чем время усреднения в измерителях). К таким шумам относят, например, уличный шум проходящего транспорта, отдельные стуки в производственных условиях, редкие импульсные помехи в радиотехнике.

Источниками акустически слышимого и неслышимого шума могут служить любые колебания в твёрдых, жидких и газообразных средах; в технике основные источники шума – различные двигатели и механизмы. Повышенная шумность машин и механизмов часто является признаком наличия в них неисправностей или нерациональности конструкций. Точность изготовления деталей, их подгонка и динамическое уравновешивание всех движущихся частей приводят к ослаблению шума и, как правило, ведут к уменьшению износа деталей, к увеличению срока их службы и точности работы.

Радиоэлектронный шум – случайные колебания токов и напряжений в радиоэлектронных устройствах, возникают 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 17.1Сжатие 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 помехи возникают 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.