노이즈(전자제품)

전자제품에서 노이즈는 전기신호의 ^{[1]: 5} 불필요한 장애입니다.

전자기기에서 발생하는 소음은 여러 가지 다른 효과로 인해 발생하므로 매우 다양하다.

특히 노이즈는 물리학에 내재되어 있으며 열역학의 중심입니다.전기 저항이 있는 도체는 본질적으로 열 노이즈를 발생시킵니다.전자제품에서 열 노이즈의 최종적인 제거는 저온에서만 달성될 수 있으며, 양자 노이즈도 고유하게 유지됩니다.

전자 노이즈는 신호 처리에서 노이즈의 일반적인 구성요소입니다.

통신 시스템에서 노이즈는 통신 채널에서 유용한 정보 신호의 오류 또는 바람직하지 않은 랜덤 장애입니다.소음은 자연적이고 때로는 인간이 만든 원천에서 나오는 원치 않거나 방해되는 에너지의 총합이다.단, 노이즈는 일반적으로 신호 대 잡음비(SNR), 신호 대 간섭비(SIR) 및 신호 대 잡음 + 간섭비(SNIR) 측정에서 ^[a]간섭과 구별됩니다.노이즈는 일반적으로 신호 대 잡음 비율(SINAD) 및 총 고조파 왜곡 + 노이즈(THD+N) 측정 등 통신 기기에 의한 신호 파형의 불필요한 시스템 변경인 왜곡과도 구별됩니다.

노이즈는 일반적으로 바람직하지 않지만 난수 생성이나 디저터 등 일부 애플리케이션에서 유용한 용도로 사용될 수 있습니다.

노이즈 타입

디바이스와 프로세스에 따라 다양한 유형의 노이즈가 발생합니다.열소음은 0이 아닌 온도에서 피할 수 없는 반면(변동-방산 정리 참조), 다른 유형은 대부분 장치 유형(예: 가파른 전위 장벽이 필요한 샷 노이즈)^[1][2] 또는 1/f 노이즈를 포함한 전도성 변동과 같은 제조 품질 및 반도체 결함에 의존합니다.

서멀 노이즈

존슨-나이키스트 노이즈^[1](더 자주 발생하는 열 노이즈)는 불가피하며, 인가 전압에 관계없이 전기 도체 내부에서 전하 캐리어(일반적으로 전자)의 무작위 열운동에 의해 발생합니다.

열 노이즈는 대략적으로 흰색이며, 이는 열 노이즈의 전력 스펙트럼 밀도가 주파수 스펙트럼 전체에서 거의 동일하다는 것을 의미합니다.신호의 진폭은 거의 가우스 확률 밀도 함수를 가집니다.열노이즈에 의해 영향을 받는 통신시스템은 종종 가산 백색가우스노이즈(AWGN) 채널로 모델링된다.

샷 노이즈

전자 장치의 샷 노이즈는 전하 캐리어(전자 등)가 갭을 통과할 때 전류의 불가피한 무작위 통계적 변동에서 발생합니다.만약 전자가 장벽을 가로질러 흐른다면, 그들은 개별적인 도착 시간을 가집니다.이러한 개별 도착은 샷 노이즈를 나타냅니다.일반적으로 다이오드의 장벽이 사용됩니다.^[3]샷 소음은 양철 지붕에 내리는 비로 인해 발생하는 소음과 유사합니다.빗줄기는 비교적 일정할 수 있지만 개별 빗방울은 산발적으로 도착한다.

샷 노이즈 전류_n i의 평균 제곱근 값은 쇼트키 공식에 의해 주어진다.

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

여기서 I는 DC 전류, q는 전자의 전하, δB는 헤르츠 단위의 대역폭입니다.숏키 공식은 개별 도착을 가정한다.

진공관은 전자가 무작위로 음극에서 나와 양극(플레이트)에 도달하기 때문에 샷 노이즈를 발생시킵니다.튜브는 풀샷 노이즈 효과를 나타내지 않을 수 있습니다. 공간 전하가 있으면 도달 시간을 부드럽게 하는 경향이 있습니다(따라서 전류의 무작위성을 감소시킵니다).스크린 그리드와 양극 사이에서 음극 전류가 랜덤하게 분할되기 때문에 펜토드와 스크린 그리드 테트로드는 트라이오드보다 노이즈가 더 많이 발생합니다.

도체 및 저항기는 일반적으로 전자가 열화되어 물질 내에서 확산되기 때문에 샷 노이즈를 나타내지 않습니다. 전자는 개별적인 도착 시간을 가지지 않습니다.숏 노이즈는 저항 소자의 크기가 전자-폰 산란 ^[4]길이보다 짧아질 때 메소스코프 저항에서 입증되었습니다.

파티션 노이즈

전류가 2개(^[5]또는 그 이상의) 경로로 분할되는 경우, 노이즈는 이 분할 동안 발생하는 랜덤 변동의 결과로 발생합니다.

이러한 이유로 트랜지스터는 2개의 PN 접점에서 발생한 총 샷 노이즈보다 더 많은 노이즈를 가집니다.

점멸음

1/f 노이즈라고도 하는 플리커 노이즈는 높은 주파수로 꾸준히 떨어지는 신호 또는 프로세스로, 분홍색 스펙트럼이 있습니다.그것은 거의 모든 전자기기에서 발생하며 다양한 효과에서 비롯된다.

버스트 노이즈

버스트 노이즈는 랜덤하고 예측할 수 없는 시간에 수백 마이크로볼트의 높은 두 개 이상의 이산 전압 또는 전류 레벨 사이에서 갑자기 스텝과 같은 전환으로 구성됩니다.오프셋 전압 또는 전류의 각 전환은 몇 밀리초에서 몇 초 동안 지속됩니다.그것은 또한 오디오 회로에서 터지는 소리나 탁탁거리는 소리 때문에 팝콘 소음으로 알려져 있다.

통과 시간 노이즈

트랜지스터 내의 이미터에서 컬렉터로 전자가 이동하는 데 걸리는 시간이 신호가 증폭되는 주기에 상당하면, 즉 VHF 이상의 주파수에서 통과시간 효과가 발생하여 트랜지스터의 노이즈 입력 임피던스가 감소한다.이 효과가 유의하게 되는 주파수에서 주파수와 함께 증가하며 다른 ^[6]소음원을 빠르게 지배합니다.

결합 노이즈

노이즈는 전자회로 자체에서 발생할 수 있지만 외부환경에서 유도결합 또는 용량결합을 통해 또는 무선수신기의 안테나를 통해 회로에 추가 노이즈 에너지를 결합할 수 있습니다.

원천

상호 변조 노이즈

다른 주파수의 신호가 동일한 비선형 매체를 공유할 때 발생합니다.

크로스 토크

전송 시스템의 한 회로 또는 채널에서 전송되는 신호가 다른 채널의 신호에 대해 바람직하지 않은 간섭을 일으키는 현상입니다.

방해다

매체를 따라 이동하는 신호의 수정 또는 중단

대기 소음

정적 소음이라고도 불리는 이 소음은 뇌우에서 발생하는 번개 방전과 코로나 방전과 같은 자연에서 발생하는 다른 전기적 장애에 의해 발생합니다.

산업용 소음

자동차, 항공기, 점화 전기 모터 및 스위칭 기어, 고압 전선 및 형광등과 같은 소스가 산업 소음을 일으킵니다.이러한 소음은 이러한 모든 작업에 존재하는 방전에 의해 발생합니다.

솔라 노이즈

태양에서 발생하는 소음을 태양 소음이라고 한다.정상적인 조건에서는, 높은 온도 때문에 태양으로부터의 방사선이 거의 일정하게 존재하지만, 태양 폭풍은 다양한 전기적 장애를 일으킬 수 있다.태양 소음의 세기는 태양 주기의 시간에 따라 변한다.

우주 잡음

멀리 있는 별들은 우주 소음이라고 불리는 소음을 발생시킨다.이러한 별들은 지구 통신 시스템에 개별적으로 영향을 미치기에는 너무 멀리 떨어져 있지만, 그 수가 많으면 상당한 집단적 효과로 이어진다.우주 노이즈는 8MHz에서 1.43GHz 범위로 관측되었으며, 후자의 주파수는 21cm 수소선에 해당합니다.인공소음을 제외하면 약 20~120MHz 범위에서 가장 강한 성분이다.20MHz 미만의 작은 우주 소음이 전리층을 통과하는 반면, 1.5GHz를 초과하는 주파수에서 최종적으로 사라지는 것은 아마도 그것을 발생시키는 메커니즘과 성간 공간에서의 ^{[citation needed]}수소에 의한 수소의 흡수에 의해 지배될 것이다.

경감

대부분의 경우 회로의 신호에서 발견되는 노이즈는 바람직하지 않습니다.회로에서 발생하는 노이즈를 줄일 수 있는 다양한 노이즈 저감 기술이 있습니다.

1. 패러데이 케이지 – 회로를 둘러싸는 패러데이 케이지로 회로를 외부 노이즈 소스와 격리할 수 있습니다.패러데이 케이지에서는 회로 자체에서 발생하는 노이즈 소스 또는 전원 공급기를 포함한 입력으로 전달되는 노이즈 소스를 처리할 수 없습니다.
2. 커패시티브 커플링 – 커패시티브 커플링을 사용하면 회로의 한 부분에서 나오는 AC 신호를 전기장의 상호작용을 통해 다른 부분에서 픽업할 수 있습니다.커플링이 의도하지 않은 경우 회로 레이아웃과 접지를 개선하여 그 영향을 해결할 수 있습니다.
3. 접지 루프 – 회선을 접지할 때는 접지 루프를 피하는 것이 중요합니다.접지 루프는 두 접지 연결 사이에 전압 차이가 있을 때 발생합니다.이 문제를 해결하는 좋은 방법은 접지 버스에서 모든 접지선을 동일한 전위로 만드는 것입니다.
4. 실드 케이블 – 실드 케이블은 배선을 위한 패러데이 케이지로 간주할 수 있으며 민감한 회로의 불필요한 노이즈로부터 와이어를 보호할 수 있습니다.차폐를 접지해야 효과를 볼 수 있습니다.실드를 한쪽 끝에만 접지하면 실드의 접지 루프를 피할 수 있습니다.
5. 트위스트 페어 배선 – 회로에서 와이어를 꼬으면 전자파 노이즈가 줄어듭니다.와이어를 꼬으면 와이어 간에 전류를 생성하기 위해 자기장이 통과할 수 있는 루프 크기가 줄어듭니다.서로 꼬인 와이어 사이에 작은 루프가 존재할 수 있지만, 이러한 루프를 통과하는 자기장에 의해 각 와이어의 교대 루프에서 반대 방향으로 전류가 흐르므로 순 노이즈 전류가 발생하지 않습니다.
6. 노치 필터 – 노치 필터 또는 대역 리젝션 필터는 특정 노이즈 주파수를 제거하는 데 유용합니다.예를 들어, 건물 내 전원 라인은 50 또는 60Hz의 회선 주파수로 작동합니다.민감한 회로는 이 주파수를 노이즈로 인식합니다.라인 주파수에 맞추어 조정된 노치 필터로 노이즈를 제거할 수 있습니다.

회로의 냉각에 의해 열 노이즈를 줄일 수 있습니다.이것은 일반적으로 전파 망원경과 같은 고정밀 고부가가치 애플리케이션에만 사용됩니다.

정량화

전자 시스템의 노이즈 레벨은 일반적으로 전력 N(와트 또는 dBm), 루트 평균 제곱(RMS) 전압(노이즈 표준 편차와 동일), dBμV 또는 평균 제곱 오차(MSE)(볼트 제곱)로 측정됩니다.전기 노이즈 레벨 측정 장치의 예로는 dBu, dBm0, dBrn, dBrnC 및 dBrn(f₁ - f₂), dBrn(144 라인)이 있습니다.소음은 확률 분포와 헤르츠당 와트 단위의 소음 스펙트럼 밀도₀ N(f)로 특징지을 수도 있다.

노이즈 신호는 일반적으로 유용한 정보 신호에 대한 선형 덧셈으로 간주됩니다.노이즈를 수반하는 일반적인 신호 품질 측정에는 신호 대 잡음 비(SNR 또는 S/N), 아날로그 대 디지털 변환 및 압축의 신호 대 양자화 노이즈 비(SQNR), 이미지 및 비디오 부호화의 피크 신호 대 잡음 비(PSNR), 캐스케이드 증폭기의 노이즈가 있습니다.반송파 변조 통과 대역 아날로그 통신 시스템에서 무선 수신기 입력에서의 특정 반송파 대 잡음 비(CNR)는 검출된 메시지 신호에서 특정 신호 대 잡음 비를 발생시킵니다.디지털 통신 시스템에서는 특정_b E/N₀(정규화된 신호 대 잡음 비)에 의해 특정 비트 오류율이 발생합니다.통신 시스템은 효과적으로 데이터를 전송하기 위해 신호 레벨 대 소음 레벨의 비율을 높이려고 노력합니다.통신 시스템의 노이즈는, 시스템의 내부와 외부 양쪽 모두의 소스의 산물입니다.

노이즈는 무작위 과정으로, 분산, 분포 및 스펙트럼 밀도와 같은 확률적 특성에 의해 특징지어진다.노이즈의 스펙트럼 분포는 주파수에 따라 다를 수 있으므로 전력 밀도는 와트/헤르츠(W/Hz)로 측정됩니다.저항 소자의 전력은 전압의 제곱에 비례하므로 노이즈 전력 밀도의 제곱근을$$ 노이즈 전압(밀도)을 설명할 수 있습니다(${\displaystyle V\sqrt{\mathrm{}}}$ / H z \$scriptyle \mathrm {V}$ / {\$sqrt {mathrm {Hz}}}).$OP 앰프와 같은 집적회로 장치는 일반적으로 (상온에서) 동등한 입력 노이즈 수준을 인용합니다.

디더

양자화 오류의 경우와 같이 노이즈 소스가 신호와 상관되어 있는 경우, 디자라 불리는 추가 노이즈를 의도적으로 도입하면 관심 대역폭에서 전반적인 노이즈를 줄일 수 있습니다.이 기술을 사용하면 계측기의 공칭 감지 임계값보다 낮은 신호를 검색할 수 있습니다.이것은 확률적 공명의 한 예이다.

「 」를 참조해 주세요.

• 취소를 통한 소음 감소를 위한 능동적 소음 제어
• 노이즈 색상
• 우주 마이크로파 배경 복사 발견
• 노이즈의 영향을 받는 디지털 신호에 대한 오류 검출 및 수정
• 생성-재결합 소음
• 모뎀 노이즈 감소를 위한 일치 필터
• 노이즈(신호처리)
• 노이즈 저감 및 오디오 및 이미지용
• 포논 노이즈

메모들

레퍼런스

추가 정보

• Sh. Kogan (1996). Electronic Noise and Fluctuations in Solids. Cambridge University Press. ISBN 0-521-46034-4.
• 쉐르즈, 폴(2006년, 11월 14일)발명자를 위한 실용적인 전자제품.에드 맥그로-힐

외부 링크

• 액티브 필터(샐런 & 키) 노이즈 연구 2015년 5월 22일 웨이백 머신에 아카이브
• 화이트 노이즈 계산기, 열 노이즈 - 전압(마이크로볼트), 노이즈 레벨(dBu 및 dBV)로의 변환(그 반대)