الضوضاء (الالكترونيات)

في الإلكترونيات ، الضوضاء هي اضطراب غير مرغوب فيه في الإشارة الكهربائية. ^{[1] : 5}

تختلف الضوضاء الناتجة عن الأجهزة الإلكترونية بشكل كبير لأنها تنتج عن العديد من التأثيرات المختلفة.

على وجه الخصوص، الضوضاء متأصلة في الفيزياء ومركزية في الديناميكا الحرارية . أي موصل ذو مقاومة كهربائية سيولد ضوضاء حرارية بطبيعته. لا يمكن تحقيق القضاء النهائي على الضوضاء الحرارية في الإلكترونيات إلا بالتبريد العميق ، وحتى في هذه الحالة ستظل الضوضاء الكمية متأصلة.

الضوضاء الإلكترونية هي أحد المكونات الشائعة للضوضاء في معالجة الإشارات .

في أنظمة الاتصالات ، الضوضاء هي خطأ أو اضطراب عشوائي غير مرغوب فيه لإشارة معلومات مفيدة في قناة اتصال . الضوضاء هي مجموع الطاقة غير المرغوب فيها أو المزعجة من مصادر طبيعية وأحيانًا من صنع الإنسان. ومع ذلك، يتم تمييز الضوضاء عادةً عن التداخل ، ^[أ] على سبيل المثال في مقاييس نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) ونسبة الإشارة إلى التداخل (SIR) ونسبة الإشارة إلى الضوضاء بالإضافة إلى نسبة التداخل (SNIR). يتم تمييز الضوضاء أيضًا عادةً عن التشويه ، وهو تغيير منهجي غير مرغوب فيه لشكل موجة الإشارة بواسطة معدات الاتصال، على سبيل المثال في مقاييس نسبة الإشارة إلى الضوضاء والتشويه (SINAD) والتشوه التوافقي الكلي بالإضافة إلى الضوضاء (THD+N).

على الرغم من أن الضوضاء غير مرغوب فيها بشكل عام، إلا أنها يمكن أن تخدم غرضًا مفيدًا في بعض التطبيقات، مثل إنشاء أرقام عشوائية أو التمويه .

تتزايد مصادر الضوضاء غير المرتبطة وفقًا لمجموع قواها. ^[2]

يتم توليد أنواع مختلفة من الضوضاء بواسطة أجهزة مختلفة وعمليات مختلفة. الضوضاء الحرارية أمر لا مفر منه عند درجة حرارة غير صفرية (انظر نظرية التقلب والتبديد )، بينما تعتمد الأنواع الأخرى في الغالب على نوع الجهاز (مثل ضوضاء الطلقة ، ^{[1] [3]} التي تحتاج إلى حاجز جهد شديد الانحدار) أو جودة التصنيع وعيوب أشباه الموصلات ، مثل تقلبات التوصيل، بما في ذلك ضوضاء 1/f .

ضوضاء جونسون-نايكويست ^[1] (غالبًا ضوضاء حرارية) أمر لا مفر منه، ويتم توليدها بواسطة الحركة الحرارية العشوائية لحاملات الشحنة (عادةً الإلكترونات )، داخل موصل كهربائي ، والتي تحدث بغض النظر عن أي جهد مطبق .

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

تنتج الضوضاء الناتجة عن الطلقات في الأجهزة الإلكترونية عن تقلبات إحصائية عشوائية لا مفر منها في التيار الكهربائي عندما تعبر حاملات الشحنة (مثل الإلكترونات) فجوة. إذا تدفقت الإلكترونات عبر حاجز، فإن لها أوقات وصول منفصلة. تظهر هذه الوصولات المنفصلة ضوضاء الطلقات. عادةً ما يتم استخدام الحاجز في الصمام الثنائي. ^[4] تشبه ضوضاء الطلقات الضوضاء الناتجة عن سقوط المطر على سقف من الصفيح. قد يكون تدفق المطر ثابتًا نسبيًا، لكن قطرات المطر الفردية تصل بشكل منفصل. ^[5]

يتم إعطاء قيمة الجذر التربيعي المتوسط ​​لتيار ضوضاء الطلقة i _n بواسطة صيغة شوتكي.

${\displaystyle i_{n}={\sqrt {2Iq\دلتا ب}}}$

حيث I هو التيار المستمر، وq هي شحنة الإلكترون، وΔ B هو عرض النطاق الترددي بالهرتز. تفترض صيغة شوتكي وصولات مستقلة.

تظهر الصمامات المفرغة ضوضاء طلقة لأن الإلكترونات تترك الكاثود عشوائيًا وتصل إلى الأنود (اللوحة). قد لا يظهر الأنبوب تأثير ضوضاء الطلقة بالكامل: يميل وجود شحنة فراغية إلى تنعيم أوقات الوصول (وبالتالي تقليل عشوائية التيار). تظهر الصمامات الخماسية ورباعية الشبكة الشبكية ضوضاء أكثر من الصمامات الثلاثية لأن تيار الكاثود ينقسم عشوائيًا بين شبكة الشاشة والأنود.

لا تظهر الموصلات والمقاومات عادةً ضوضاء طلقة لأن الإلكترونات تسخن وتتحرك بشكل انتشاري داخل المادة؛ ولا تمتلك الإلكترونات أوقات وصول منفصلة. وقد تم إثبات ضوضاء الطلقة في المقاومات المتوسطة الحجم عندما يصبح حجم العنصر المقاوم أقصر من طول تشتت الإلكترون والفونون. ^[6]

عندما ينقسم التيار بين مسارين (أو أكثر)، ^[7] يحدث الضوضاء نتيجة للتقلبات العشوائية التي تحدث أثناء هذا التقسيم.

لهذا السبب، سيكون لدى الترانزستور ضوضاء أكثر من الضوضاء الناتجة عن اللقطة المجمعة من تقاطعيه PN.

الضوضاء الوميضية، المعروفة أيضًا باسم ضوضاء 1/ f ، هي إشارة أو عملية ذات طيف ترددي يتناقص بشكل ثابت إلى الترددات الأعلى، مع طيف وردي اللون . تحدث في جميع الأجهزة الإلكترونية تقريبًا وتنتج عن مجموعة متنوعة من التأثيرات.

تتكون الضوضاء المتقطعة من انتقالات مفاجئة تشبه الخطوات بين مستويين أو أكثر من مستويات الجهد أو التيار المنفصلة، ​​والتي قد تصل إلى عدة مئات من الميكروفولت ، في أوقات عشوائية وغير متوقعة. يستمر كل تحول في الجهد أو التيار المزاح لعدة ميلي ثانية إلى ثوانٍ. تُعرف أيضًا باسم ضوضاء الفشار بسبب الأصوات المتقطعة أو المتقطعة التي تنتجها في الدوائر الصوتية.

إذا أصبح الوقت الذي تستغرقه الإلكترونات للانتقال من الباعث إلى المجمع في الترانزستور قابلاً للمقارنة بفترة تضخيم الإشارة، أي عند ترددات أعلى من VHF وما بعدها، يحدث تأثير وقت العبور وتنخفض معاوقة مدخل الضوضاء للترانزستور. من التردد الذي يصبح عنده هذا التأثير مهمًا، فإنه يزداد مع التردد ويهيمن بسرعة على مصادر الضوضاء الأخرى. ^[8]

على الرغم من أنه من الممكن توليد الضوضاء في الدائرة الإلكترونية نفسها، إلا أنه من الممكن دمج طاقة الضوضاء الإضافية في دائرة من البيئة الخارجية، عن طريق الاقتران الاستقرائي أو الاقتران السعوي ، أو من خلال هوائي جهاز استقبال الراديو .

ضوضاء التداخل

يحدث عندما تتشارك إشارات ذات ترددات مختلفة في نفس الوسط غير الخطي.

التداخل

ظاهرة حيث تؤدي الإشارة المرسلة في دائرة أو قناة واحدة لنظام الإرسال إلى إنشاء تداخل غير مرغوب فيه على إشارة في قناة أخرى.

تدخل

تعديل أو تعطيل إشارة تنتقل عبر وسيط

الضوضاء الجوية

وتسمى أيضًا بالضوضاء الساكنة، وهي ناتجة عن تفريغات البرق في العواصف الرعدية والاضطرابات الكهربائية الأخرى التي تحدث في الطبيعة، مثل تفريغ الهالة .

الضوضاء الصناعية

تتسبب مصادر مثل السيارات والطائرات ومحركات الإشعال الكهربائية ومعدات التبديل وأسلاك الجهد العالي والمصابيح الفلورية في حدوث ضوضاء صناعية. وتنتج هذه الضوضاء عن التفريغات الموجودة في كل هذه العمليات.

الضوضاء الشمسية

الضوضاء التي تنشأ من الشمس تسمى الضوضاء الشمسية . في الظروف العادية، يكون هناك إشعاع ثابت تقريبًا من الشمس بسبب درجة حرارتها المرتفعة، ولكن العواصف الشمسية يمكن أن تسبب مجموعة متنوعة من الاضطرابات الكهربائية. تختلف شدة الضوضاء الشمسية بمرور الوقت في الدورة الشمسية .

الضوضاء الكونية

تنتج النجوم البعيدة ضوضاء تسمى الضوضاء الكونية. وفي حين أن هذه النجوم بعيدة جدًا بحيث لا تؤثر بشكل فردي على أنظمة الاتصالات الأرضية ، فإن عددها الكبير يؤدي إلى تأثيرات جماعية ملحوظة. وقد لوحظت الضوضاء الكونية في نطاق من 8 ميجا هرتز إلى 1.43 جيجا هرتز، حيث يتوافق التردد الأخير مع خط الهيدروجين الذي يبلغ طوله 21 سم . وبصرف النظر عن الضوضاء التي يصنعها الإنسان، فهي أقوى مكون في نطاق يتراوح من حوالي 20 إلى 120 ميجا هرتز. تخترق الضوضاء الكونية الصغيرة التي تقل عن 20 ميجا هرتز الغلاف الأيوني، في حين أن اختفائها في النهاية عند ترددات تزيد عن 1.5 جيجا هرتز ربما يحكمه الآليات التي تولدها وامتصاصها بواسطة الهيدروجين في الفضاء بين النجوم. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

في كثير من الحالات، يكون الضجيج الموجود في إشارة داخل دائرة غير مرغوب فيه. هناك العديد من تقنيات تقليل الضوضاء المختلفة التي يمكنها تقليل الضوضاء التي تلتقطها الدائرة.

1. قفص فاراداي – يمكن استخدام قفص فاراداي الذي يحيط بالدائرة لعزل الدائرة عن مصادر الضوضاء الخارجية. لا يمكن لقفص فاراداي معالجة مصادر الضوضاء التي تنشأ في الدائرة نفسها أو تلك التي تنتقل عبر مدخلاتها، بما في ذلك مصدر الطاقة.
2. الاقتران السعوي – يسمح الاقتران السعوي بتلقي إشارة التيار المتردد من جزء من الدائرة في جزء آخر من خلال تفاعل المجالات الكهربائية. وفي حالة عدم قصد الاقتران، يمكن معالجة التأثيرات من خلال تحسين تخطيط الدائرة والتأريض.
3. حلقات التأريض – عند تأريض الدائرة، من المهم تجنب حلقات التأريض . تحدث حلقات التأريض عندما يكون هناك فرق جهد بين اتصالين أرضيين. إحدى الطرق الجيدة لإصلاح ذلك هي جعل جميع أسلاك التأريض بنفس الجهد في ناقل أرضي.
4. كابلات الحماية – يمكن اعتبار الكابلات المحمية بمثابة قفص فاراداي للأسلاك ويمكنها حماية الأسلاك من الضوضاء غير المرغوب فيها في الدائرة الحساسة. يجب أن يكون الدرع مؤرضًا ليكون فعالاً. يمكن تجنب حلقة الأرض على الدرع عن طريق تأريض الدرع عند طرف واحد فقط.
5. الأسلاك المجدولة – إن لف الأسلاك في الدائرة الكهربائية يقلل من الضوضاء الكهرومغناطيسية. كما أن لف الأسلاك يقلل من حجم الحلقة التي يمكن أن يمر من خلالها المجال المغناطيسي لإنتاج تيار بين الأسلاك. وقد توجد حلقات صغيرة بين الأسلاك الملتوية معًا، ولكن المجال المغناطيسي الذي يمر عبر هذه الحلقات يحفز تيارًا يتدفق في اتجاهين متعاكسين في حلقات متناوبة على كل سلك وبالتالي لا يوجد تيار ضوضاء صافٍ.
6. مرشحات الشق – مرشحات الشق أو مرشحات رفض النطاق مفيدة في التخلص من تردد ضوضاء معين. على سبيل المثال، تعمل خطوط الطاقة داخل المبنى بتردد خط 50 أو 60 هرتز . ستلتقط الدائرة الحساسة هذا التردد كضوضاء. يمكن لمرشح الشق المضبوط على تردد الخط إزالة الضوضاء.

يمكن تقليل الضوضاء الحرارية عن طريق تبريد الدوائر - ويتم استخدام ذلك عادةً فقط في التطبيقات عالية الدقة والقيمة العالية مثل التلسكوبات الراديوية.

يتم قياس مستوى الضوضاء في النظام الإلكتروني عادةً بقدرة كهربائية N بالواط أو dBm ، أو جهد جذر متوسط ​​التربيع (RMS) (مطابق للانحراف المعياري للضوضاء ) بالفولت، dBμV أو متوسط ​​الخطأ التربيعي (MSE) بالفولت التربيعي. أمثلة على وحدات قياس مستوى الضوضاء الكهربائية هي dBu و dBm0 و dBrn و dBrnC و dBrn( f ₁ − f ₂ ) و dBrn(144- line ). يمكن أيضًا وصف الضوضاء من خلال توزيع احتمالاتها وكثافة طيف الضوضاء N ₀ ( f ) بالواط لكل هرتز.

تعتبر إشارة الضوضاء عادةً إضافة خطية إلى إشارة معلومات مفيدة. تشمل مقاييس جودة الإشارة النموذجية التي تتضمن الضوضاء نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR أو S / N ) ونسبة ضوضاء الإشارة إلى التكميم (SQNR) في التحويل والضغط من التناظري إلى الرقمي ونسبة ذروة الإشارة إلى الضوضاء (PSNR) في ترميز الصور والفيديو ورقم الضوضاء في مكبرات الصوت المتتالية. في نظام اتصالات تناظري بنطاق تمرير معدل بالناقل، فإن نسبة معينة من الناقل إلى الضوضاء (CNR) عند مدخل جهاز الاستقبال اللاسلكي ستؤدي إلى نسبة إشارة إلى ضوضاء معينة في إشارة الرسالة المكتشفة. في نظام الاتصالات الرقمية، ستؤدي نسبة معينة من الإشارة إلى الضوضاء ( E _b / N ₀ ) إلى معدل خطأ بت معين . تسعى أنظمة الاتصالات إلى زيادة نسبة مستوى الإشارة إلى مستوى الضوضاء من أجل نقل البيانات بشكل فعال. الضوضاء في أنظمة الاتصالات هي نتاج مصادر داخلية وخارجية للنظام.

الضوضاء هي عملية عشوائية، تتميز بخصائص عشوائية مثل تباينها وتوزيعها وكثافتها الطيفية . يمكن أن يختلف التوزيع الطيفي للضوضاء مع التردد ، لذلك يتم قياس كثافة قدرتها بالواط لكل هرتز (W/Hz). نظرًا لأن القدرة في عنصر مقاوم تتناسب مع مربع الجهد عبره، يمكن وصف جهد الضوضاء (الكثافة) عن طريق أخذ الجذر التربيعي لكثافة قدرة الضوضاء، مما ينتج عنه فولت لكل جذر هرتز ( ). عادةً ما تقتبس أجهزة الدوائر المتكاملة ، مثل مكبرات الصوت التشغيلية، مستوى ضوضاء الإدخال المكافئ بهذه المصطلحات (في درجة حرارة الغرفة). ${\displaystyle \scriptstyle \mathrm {V} /{\sqrt {\mathrm {هرتز} }}}$

إذا كان مصدر الضوضاء مرتبطًا بالإشارة، كما في حالة خطأ التكميم ، فإن الإدخال المتعمد للضوضاء الإضافية، والتي تسمى التذبذب ، يمكن أن يقلل من الضوضاء الإجمالية في النطاق الترددي المطلوب. تسمح هذه التقنية باسترجاع الإشارات التي تقل عن عتبة الكشف الاسمية للأداة. هذا مثال على الرنين العشوائي .

• التحكم النشط في الضوضاء لتقليل الضوضاء من خلال الإلغاء
• ألوان الضوضاء
• اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكرويفي
• اكتشاف الأخطاء وتصحيحها للإشارات الرقمية المعرضة للضوضاء
• ضوضاء التوليد وإعادة التركيب
• مرشح متوافق لتقليل الضوضاء في أجهزة المودم
• الضوضاء (معالجة الإشارة)
• تقليل الضوضاء والصوت والصور
• ضوضاء الفونون

• ش. كوغان (1996). الضوضاء الإلكترونية والتقلبات في المواد الصلبة . مطبعة جامعة كامبريدج. رقم ISBN 0-521-46034-4.
• شيرز، بول. (2006، 14 نوفمبر) الإلكترونيات العملية للمخترعين . محرر ماكجرو هيل.

• دراسة ضوضاء المرشح النشط (سالين ومفتاح). أرشيف 2015-05-22 على موقع واي باك مشين .
• حاسبة الضوضاء البيضاء، الضوضاء الحرارية - الجهد بالميكروفولت، التحويل إلى مستوى الضوضاء بالديسيبل و الديسيبل فولت والعكس