Περί Θορύβου
Μία προσπάθεια περιγραφής, για τους συναδέλφους ραδιοερασιτέχνες, της φύσης, των ειδών και των χαρακτηριστικών του θορύβου απλά και κατανοητά, αποφεύγοντας την χρήση μαθηματικών σχέσεων και τύπων
Ο θόρυβος στα συστήματα τηλεπικοινωνίας καθορίζεται σαν το σύνολο των ανεπιθύμητων λαμβανομένων συχνοτήτων αφενός και των παραγόμενων από τις βαθμίδες του συστήματος αφετέρου. Μπορούμε να τον διακρίνουμε σε βασικό θόρυβο και θόρυβο ενδοδιαμόρφωσης.
Ο βασικός θόρυβος μπορεί να διακριθεί σε εξωγενή θόρυβο, όπως είναι ο ατμοσφαιρικός, ο βιομηχανικός, ο αστρικός, ο θόρυβος παρεμβολών και σε ενδογενή θόρυβο, όπως είναι ο θερμικός, ο θόρυβος λυχνιών κενού, ο θόρυβος των ημιαγωγών, ο θόρυβος των τροφοδοτικών.
Ο θόρυβος ενδοδιαμόρφωσης οφείλεται κύρια σε παραμορφώσεις πλάτους, συχνότητας, ή φάσης, οι οποίες είναι προϊόντα της ενδοδιαμόρφωσης.
Βασική πηγή θορύβου είναι η συνεχής και αδιάκοπη κίνηση που χαρακτηρίζει σε μικροσκοπική κλίμακα την φύση. Έτσι π.χ. σε ένα οποιοδήποτε κομμάτι μετάλλου γνωρίζουμε ότι κάθε μόριο ταλαντώνεται γύρω από την θέση ισορροπίας του μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα. Τα δε ηλεκτρόνια αγωγιμότητας του μετάλλου κινούνται τυχαία μέσα στον ελεύθερο όγκο του. Το ίδιο συμβαίνει και με τα μόρια αερίου που είναι περιορισμένα μέσα σε κάποιο χώρο. Οι διαταραχές αυτές λέγονται θερμικές διαταραχές επειδή αυξάνονται ανάλογα με την θερμοκρασία. Από την τυχαία αυτή κίνηση που αναφέρεται πιο πάνω προκύπτει ο λεγόμενος θερμικός θόρυβος (θόρυβος Johnson), Ο οποίος μηδενίζεται σε θερμοκρασία απολύτου μηδενός ( -273.15 °C ή 0° K). Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, για παράδειγμα, οι δέκτες στα ραδιοτηλεσκόπια ψύχονται σε κρυογονικές θερμοκρασίες, προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί όσο το δυνατόν περισσότερο ο θερμικός θόρυβος.
Άλλος τύπος θορύβου είναι αυτός που προκύπτει από τη ροή του ρεύματος μέσα από τις επαφές των ημιαγωγών. Τα ηλεκτρόνια ή οι οπές μπαίνουν στην περιοχή της επαφής από την μία πλευρά ( P ή N ) διατρέχουν της επαφή και συλλέγονται από την άλλη πλευρά ( N ή P ). Η μέση τιμή του ρεύματος επαφής καθορίζεται από την μέση χρονική διάρκεια η οποία μεσολαβεί μεταξύ των στιγμών κατά τις οποίες οι αντίστοιχοι ηλεκτρικοί φορείς (ηλεκτρόνια ή οπές) μπαίνουν στην επαφή. Αυτή όμως η χρονική διάρκεια υπόκειται σε κάποια τυχαία ( στατιστική ) διακύμανση, από την οποία προκύπτει κάποιος θόρυβος που ονομάζεται θόρυβος βολής (shot noise). Τέτοιος θόρυβος εμφανίζεται και κατά την θερμιονική εκπομπή ηλεκτρονίων και επομένως επηρεάζει τις διατάξεις που την χρησιμοποιούν πχ. λυχνίες κενού.
Όταν ένα σήμα φθάνει στον δέκτη μπορεί να είναι πολύ εξασθενημένο οπότε χρειάζεται ενίσχυση. Η ενίσχυση αυτή πραγματοποιείται με την βοήθεια ενισχυτικών διατάξεων οι οποίες αποτελούνται από ενεργά και από παθητικά στοιχεία.
Σύμφωνα με τα όσα αναφέρθηκαν πιο πάνω για τα στοιχεία αυτά είναι επόμενο η ενισχυτική διάταξη να συμβάλει στην αύξηση του θορύβου τον οποίο φέρνει μαζί του το σήμα.
Ειδικά στους ενισχυτές που χρησιμοποιούν λυχνίες, εκτός του προαναφερθέντος θερμικού θορύβου, διακρίνουμε και τον θόρυβο λυχνιών κενού ο οποίος εμφανίζεται σαν αποτέλεσμα ανωμαλιών στην ροή των ηλεκτρονίων. Ο θόρυβος αυτός διακρίνεται στις εξής κατηγορίες:
Θόρυβος βολής (shot noise): εμφανίζεται λόγω μεταβολής του ρυθμού της θερμιονικής εκπομπής ηλεκτρονίων από την κάθοδο της λυχνίας.
Θόρυβος διαμερισμού (partition noise): προέρχεται από τις μεταβολές της ροής κατά την διάχυση της δέσμης των ηλεκτρονίων από δύο ή περισσότερα ηλεκτρόδια της λυχνίας.
Επαγόμενος θόρυβος πλέγματος: Ο θόρυβος αυτός οφείλεται στις μεταβολές της έντασης του ρεύματος το οποίο διαρρέει το πλέγμα της λυχνίας.
Θόρυβος αερίου: Ο θόρυβος αυτός παράγεται λόγω διαταραχών στον ρυθμό παραγωγής ιόντων από συγκρούσεις.
Θόρυβος τρεμοπαιξίματος (flicker noise): Ο θόρυβος αυτός προκύπτει από διακυμάνσεις μικρής συχνότητας κατά την θερμιονική εκπομπή ηλεκτρονίων από την κάθοδο που είναι επιστρωμένη με οξείδια.
Θόρυβος λόγω δευτερογενούς εκπομπής: Ο θόρυβος αυτός παράγεται λόγω δευτερογενούς εκπομπής ηλεκτρονίων από τα ηλεκτρόδια της λυχνίας λόγω συγκρούσεων με τα ηλεκτρόνια που οδεύουν προς την άνοδο.
Ο θόρυβος ο οποίος συνοδεύει ένα σήμα μπορεί να είναι είτε προσθετικός, δηλαδή να προστίθεται στο σήμα, είτε να πολλαπλασιάζεται με το σήμα οπότε μιλάμε για θόρυβο διαλείψεων.
Αφού αναφερθήκαμε εν συντομία στα πιο συνηθισμένα είδη θορύβου που σχετίζονται με ημιαγωγούς και λυχνίες κενού, τώρα ας ρίξουμε μια ματιά σε μερικά άλλα είδη θορύβου.
Σε περίπτωση διάδοσης σήματος στον χώρο ( ατμοσφαιρικό ή διαστημικό ) υπεισέρχονται θόρυβοι που προέρχονται από την επίδραση ουρανίων σωμάτων ( Ήλιος, Σελήνη, Αστέρες, Γαλαξίας) και της ατμόσφαιρας σε περίπτωση ατμοσφαιρικής διάδοσης.
Οι ατμοσφαιρικοί θόρυβοι προέρχονται από απότομες εκκενώσεις στατικών ηλεκτρικών φορτίων τα οποία συσσωρεύονται στην ατμόσφαιρα. Οι εκκενώσεις αυτές δημιουργούν παλμούς ρεύματος διάρκειας από 0.1 μsec έως 2 μsec και κάθε τέτοιος παλμός δημιουργεί ένα συνεχές φάσμα συχνοτήτων το οποίο καταλαμβάνει όλη την περιοχή των ραδιοκυμάτων. Άλλη αιτία ατμοσφαιρικού θορύβου είναι οι τοπικές θύελλες.
Ηλιακός θόρυβος: είναι ο θόρυβος που προέρχεται από τον Ήλιο. Η ένταση του ηλιακού θορύβου μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου σε έναν ηλιακό κύκλο.
Κοσμικός θόρυβος: Τα μακρινά αστέρια παράγουν θόρυβο που ονομάζεται κοσμικός θόρυβος. Ενώ αυτά τα αστέρια είναι πολύ μακριά για να επηρεάσουν μεμονωμένα τα επίγεια συστήματα επικοινωνιών, ο μεγάλος αριθμός τους οδηγεί σε αξιοσημείωτους επηρεασμούς. Ο κοσμικός θόρυβος έχει παρατηρηθεί σε ένα εύρος από 8 MHz έως 1,43 GHz. Εκτός από τον ανθρωπογενή θόρυβο, είναι η ισχυρότερη συνιστώσα στην περιοχή από περίπου 20 MHz έως 120 MHz. Ελάχιστος κοσμικός θόρυβος διεισδύει στην ιονόσφαιρα κάτω από τους 20 MHz ενώ η ενδεχόμενη εξαφάνισή του σε συχνότητες άνω του 1,5 GHz διέπεται πιθανώς από τους μηχανισμούς που τον παράγουν και από την απορρόφησή του από το υδρογόνο του διαστρικού χώρου.
Αν συνοψίσουμε τα πιο πάνω βλέπουμε ότι κατά την μετάδοση ενός σήματος εμφανίζεται σε αυτό ένα πλήθος θορύβων που προέρχονται τόσο από το περιβάλλον όσο και από την διάταξη.
Αν θελήσουμε να συγκρίνουμε ποιοτικά δύο τηλεπικοινωνιακά συστήματα λαμβάνοντας υπόψη την παρουσία του θορύβου, πρέπει να γνωρίζουμε κατά πόσο το καθένα από αυτά είναι σε θέση να διαχωρίζει καλύτερα τον θόρυβο από το ωφέλιμο σήμα και έτσι να το απαλλάσσει από παραμορφώσεις και σφάλματα.
Ο θόρυβος μπορεί να εκτιμηθεί ποσοτικά αν μετρήσουμε με κατάλληλα βαθμονομημένα όργανα πάνω σε μία ωμική αντίσταση η οποία θα τερματίζει το σημείο εκείνο της διάταξης πάνω στο οποίο θέλουμε να μετρήσουμε τον θόρυβο. Τα όργανα αυτά είναι όργανα μετρήσεως τάσεως, τα οποία μπορούμε να βαθμονομήσουμε έτσι ώστε να μας δίνουν την τιμή του σήματος ή την τιμή του θορύβου σε dbm ή σε mW.
Τα όργανα μετρήσεως του θορύβου πρέπει να έχουν μεγάλη ευαισθησία, πολύ χαμηλό εσωτερικό θόρυβο και ομοιόμορφη καμπύλη αποκρίσεως για την περιοχή συχνοτήτων στην οποία μας ενδιαφέρει η μέτρηση της στάθμης. Τα όργανα αυτά μετρούν απόλυτη τιμή στάθμης θορύβου.
Ο λόγος της ισχύος του θορύβου που μετράμε σε ένα συγκεκριμένο εύρος ζώνης συχνοτήτων, προς αυτό το εύρος της ζώνης καλείται πυκνότητα ισχύος θορύβου.
Λευκός θόρυβος: ο λευκός θόρυβος είναι ένα τυχαίο σήμα με ίση ένταση στις διάφορες συχνότητες, που του προσδίδει σταθερή ισχύ.
Εδώ θα πρέπει να ορίσουμε κάποια μεγέθη η χρήση των οποίων θα μας βοηθήσει στον υπολογισμό του συντελεστή θορύβου του δέκτη.
Ένα ενδιαφέρον μέγεθος είναι ο λόγος αντίφασης, ο οποίος είναι το πηλίκο του λόγου σήματος προς θόρυβο εισόδου προς τον λόγο σήματος προς θόρυβο εξόδου του δέκτη: (Sin/Nin) / (Sout/Nout)
Διαθέσιμη ισχύς θορύβου: είναι αυτή που παράγεται πάνω σε μία θερμικά διεγερμένη αντίσταση προσαρμοσμένη πάνω σε φορτίο και η οποία σε καθορισμένη θερμοκρασία είναι ίση με την ισχύ την οποία παράγει η πραγματική πηγή θορύβου στο φορτίο.
Θερμοκρασία θορύβου: σε δεδομένη συχνότητα είναι η θερμοκρασία (σε βαθμούς Kelvin) ενός παθητικού στοιχείου (ή συστήματος στοιχείων) με διαθέσιμη ισχύ θορύβου ανά μονάδα εύρους ζώνης θορύβου ίση προς εκείνη μίας πραγματικής πηγής θορύβου.
Ο θόρυβος που παρουσιάζεται στην είσοδο του δέκτη μας είναι ανάλογος του εύρους ζώνης της λήψεως και δίνεται από την σχέση n=kTB όπου k είναι η σταθερά του Boltzmann, T είναι η θερμοκρασία (Kelvin) και Β είναι το εύρος ζώνης λήψεως του δέκτη μας. Άρα για να βελτιώσουμε τον λόγο S/N στην είσοδο του δέκτη μας θα πρέπει να έχουμε ισχυρό σήμα (S) και μικρό εύρος ζώνης λήψεως (στενό φίλτρο).
Συντελεστής θορύβου (Noise Factor): Ο συντελεστής θορύβου δείχνει την απόδοση του δέκτη από απόψεως θορύβου. Δηλαδή πόσο θόρυβο προσθέτει ο δέκτης σ’αυτόν που λαμβάνει στη είσοδο του. Έτσι γνωρίζοντας το noise factor ενός δέκτη μπορούμε να εκτιμήσουμε την ποιότητα του σε συνάρτηση με τα άλλα χαρακτηριστικά του όπως ευαισθησία, επιλεκτικότητα κλπ.
Δείκτης θορύβου (Noise Figure): Ο δείκτης θορύβου είναι το μέτρο της υποβάθμισης που προκαλούν τα στοιχεία του δέκτη. Δηλαδή είναι η διαφορά σε ντεσιμπέλ (dB) μεταξύ της εξόδου θορύβου του πραγματικού δέκτη και της εξόδου θορύβου ενός «ιδανικού» δέκτη με το ίδιο συνολικό κέρδος και εύρος ζώνης. Όσο χαμηλότερη είναι η τιμή του Noise Figure, τόσο καλύτερη είναι η απόδοση του δέκτη. Ο δείκτης θορύβου (Noise Figure) είναι ο συντελεστής θορύβου (Noise Factor) εκπεφρασμένος σε dB.
Ιδανικός Δέκτης είναι ο δέκτης που στην είσοδο του παρουσιάζεται θόρυβος Nin = kTB και στην έξοδο Nout = Ggain kTB
Σύμφωνα με τον λόγο αντίφασης έχουμε F = (Sin/Nin) / (Sout/Nout) = (Sin * Nout) / (Sout * Nin). (1) Λόγω του ότι Sout/Sin = Ggain το αντίστροφο θα είναι Sin/Sout = 1/Ggain οπότε η σχέση (1) γίνεται:
όπου F είναι ο συντελεστής θορύβου του ιδανικού δέκτη και G είναι η απολαβή του ιδανικού δέκτη.
Στον πραγματικό δέκτη έχουμε τον θόρυβο στην είσοδο Nin = kTB και στην έξοδο έχουμε Nout = Ggain kTB ή Nout = Ggain Nin + NRx (όπου NRx είναι ο θόρυβος που εισάγει ο δέκτης). Σύμφωνα με τον λόγο αντίφασης έχουμε F = (Sin/Nin) / (Sout/Nout) = (SinNout) / (SoutNin). (2) Αν αντικαταστήσουμε τον αριθμητή της σχέσης (2) με το ίσο του, θα έχουμε F = (GgainNin+NRx) / (GgainNin) = (GgainNin) / (GgainNin) + (NRx / GgainNin) = 1 + NRx/GgainNin
Τελικά δηλαδή ο συντελεστής θορύβου του πραγματικού δέκτη είναι:
Αυτό το άρθρο έχει σκοπό να μας εισάγει στις βασικές έννοιες που χαρακτηρίζουν το θόρυβο. Αν θα θέλαμε να καλύψουμε πλήρως το κεφάλαιο θόρυβος, θα έπρεπε να γράψουμε πολύ περισσότερα, ίσως ένα βιβλίο. Ας περιοριστούμε όμως σε αυτά τα λίγα που ίσως αποτελέσουν για πολλούς τροφή για σκέψη και έρευνα γύρω από τον θόρυβο.
