ZGOMOTE N ELECTRONIC Ce este zgomotul? (n electronic)

n electronic se lucreaz cu semnale electrice purttoare de informaie. Dac ne referim la variaia temporal a semnalelor ele pot fi constante sau variabile, cu o singur polaritate fa de un potenial de referin sau cu ambele polariti, periodice sau neperiodice, armonice sau nearmonice, etc. De multe ori semnalele electrice sunt rezultatul conversiei prin intemediul unor senzori a unor semnale neelectrice: fizice, chimice, biologice. Nivelul semnalului electric, forma lui, modul de variaie n timp ne ofer informaii despre semnalul neelectric care a fost convertit (temperatur, presiune, vitez, semnale biologice provenite de la organismele vii, etc). Este de la sine neles c ar fi de dorit ca n procesul de conversie a unui semnal neelectric n semnal electric i apoi de prelucrare electronic a semnalului electric, s nu intervin nici un factor perturbator care s modifice forma semnalului iniial (original), care ne furnizeaz informaii despre mrimea fizic, chimic, biologic monitorizat. n practic ns, acest deziderat nu se realizeaz pentru c semnalul, pe ntreg parcursul su, de la receptarea lui de ctre senzor i pn la afiarea rezultatului prelucrrii lui, este afectat de ctre factori perturbatori externi sau interni. Aceti factori modific nivelul i forma semnalului util, determinnd erori n procesul de msurare/monitorizare a semnalului util. Pentru c ei reprezint musafirul nepoftit, au fost denumii zgomote. Fr pretenia de a da o definiie foarte exact, putem afirma c:

Zgomotul este orice factor care poate influena n ru o cantitate pe care o masurm.

Din punct de vedere al prelucrrii unui semnal nu este att de important nivelul (n semnsul mrimii sale) zgomotului, pe ct este raportul dintre nivelul semnalului util i nivelul zgomotului (raportul semnal/zgomot). Zgomotele nu pot fi nlturate total din procesul de msurare a unui semnal, dar efectul lor perturbator poate fi diminuat n semnsul mbuntirii raportului semnal/zgomot). Pentru a putea nelege care sunt modalitile de mbuntire a acestui raport, trebuie mai nti s vedem care sunt tipurile cele mai importante de zgomote i care sunt sursele lor. Tipuri de zgomote

Categoriile cele mai frecvente de zgomote care afecteaz procesele de msurare i prelucrare a semnalelor electrice se pot mpri n dou mari categorii:

Zgomot extrinsec (sau interferena) Zgomot intrinsec: zgomotul termic (Johnson) zgomotul de alice (Shot Noise) zgomotul 1/f (Flicker Noise)

Interferena se refer la orice zgomot exterior procesului de msurare. De exemplu, atunci cnd

se efectueaz msurrtori de cmp magnetic cu o sond Hall, n funcie de intensitatea cmpului msurat cmpul magnetic terestru poate constitui un factor perturbator al crui efect poate fi diminuat prin luarea unor masuri de ecranare. Un al exemplu poate fi un experiment de interferometrie optic. El poate fi afectat de vibraiile mecanice de orice fel, inclusiv de mainile de pe strad. Din acest motiv nu vom instala un astfel de experiment la etajele superioare ale unei cldiri, i vom incerca s reducem ct mai mult vibraiile mecanice prin plasarea standului de lucru pe o mas ct mai robust, poziionat pe tampoane amortizoare. Din punctul de vedere al semnalelor electrice, acestea pot fi perturbate de cmpurile electromagnetice exterioare sistemului de msur (mai ales de cele de radiofrecven) sau de fluctuaiile tensiunii de alimentare. Aceste zgomote sunt greu de distins fa de semnalele autentice, dar pot fi evitate prin msuri de ecranare, pmntare sau filtrare.

1

Zgomotul termic (Johnson) ne duce cu gndul la cldur, agitaie termic i micare dezordonat, Or, noi tim c un semnal electric nseamn i un curent electric, iar curentul electric seamn o micare ordonat a purttorilor de sarcin (sarcini discrete). Deplasarea purttorilor de s rcin este un proces statistic cuantic. Cldura, prin favorizarea dezordinii, va constitui un factor perturbator care determin fluctuaii macroscopice ale strii electrice a sistemului considerat. Zgomotul termic se manifest n orice element rezistiv de circuit, fiind analogul electronic al micrii browniene. El este cu att mai important cu ct temperatura mediului n care se afl o rezisten parcurs de un curent electric este mai mare. Influena lui asupra semnalului util se manifest sub forma unei tensiuni aleatorii care apare la bornele rezistenei.

Fiind vorba de un proces aleator, valoarea medie a tensiunii de zgomot termic este nul:

0= zJuValoarea ptratic medie a tensiunii de zgomot termic este dependent de temperatura

rezistenei (T), de valoarea ei (R) i de domeniul de frecvene n care o calculm (exprimat prin banda de frecvene, f) i poate fi calculat cu relaia:

fTkRuzJ = 42

n care k este constanta lui Boltzmann (1,38.10-23 J/K).

Pentru formarea unei idei privind valorile concrete ale tensiunii de zgomot termic, vom considera o rezisten de 100 k, aflat la temperatura camerei (300K). n interiorul unei benzi de frecvene de 1 kHz, mrimea tensiunii de zgomot termic va fi: 2zJu = 0,41 V.

Din expresia tensiunii de zgomot termic se observ c valoarea ei nu depinde de poziia in spectrul frecvenelor a benzii de frecvene considerate, ci numai de lrgimea ei. Astfel, tensiunea de zgomot termic a unei rezistene de 100 k aflat la temperatura camerei, va fi 0,41 V att n intervalul 10-11 kHz, ct i n intervalul 100-101 kHz. Un astfel de zgomot, a crui mrime nu depinde de localizarea intervalului de frecvene considerat, se numete zgomot alb (white noise).

Zgomotul termic nu poate fi eliminat niciodat. El este independent de forma i tipul rezistenei din circuit. Astfel, dou rezistene cu aceeai valoare, una metalic i una cu pelicul de carbon, aflate la aceeai temperatur, vor fi afectate la bornele lor de o aceeai tensiune de zgomot ntr-o band de frecvene dat. Singura modalitate de limitare e efectului zgomotului termic asupra unui semnal electric este folosirea unor semnale utile cu un spectru ct mai ngust de frecvene.

Zgomotul de alice (shot noise) este o consecina a faptului c sarcinile electrice sunt particule d screte. Curentul electric nu este consecina curgerii unui fluid continuu, ci este consecina difcpp

Prs

inaeplasrii ordonate a unor particule discrete neneutre (electroni, ioni). Din punct de vedere statistic, ntr-un interval de timp infinit mic, seciunea transversal a conductorului parcurs de curent nu va i traversat ntotdeauna de acelai numr de purttori de sarcin (fluctuaii Poisson). n cazul unui onductor metalic, dac este numrul mediu de electroni care traveseaz seciunea erpendicular pe fluxul de electroni n unitatea de timp, atunci, intensitatea curentului continuu rin acea seciune va fi:

N

= NeI Zgomotul de alice i va manifesta efectul n orice conductor parcurs de curent electric.

onderea sa n semnalul total (util +zgomot) este invers proporional cu intensitatea curentului prin amura de circuit considerat. Valoarea ptratic medie a intensitii curentului de zgomot de alice e poate calcula cu relaia:

feIizs = 22

2

n care e este sarcina electronului (1,6.10-19 C) iar f are aceeai semnificaie ca i n cazul zgomotului termic. Astfel, intensitatea curentului de zgomot printr-un circuit parcurs de un curent de 10-9 A, n interiorul unui domeniu de frecvene de 1 kHz, va fi:

2zsi = 0,57 pA. n graficul din Fig.1 este reprezentat ponderea zgomotului de alice ntr-un semnal util n funcie de intensitatea curentului prin circuit. Zgomotul de alice este i el un zgomot alb. Fig.1

gomotul 1/f (flicker noise) este poate cel mai important factor perturbator dup interferene. Se

odaliti de reducere a nivelului zgomotelor (mbuntirea raportului semnal/zgomot) pra

sem

de reducere a efectelor zgomotelor asupra semnalelor utile se mpart n dou

etode HARD i pmntarea

i active iale (de curent i tensiune) i de instrumentaie

(detecia sincron)

etode SOFT a (n acelai punct sau ponderat) a semnalelor memorate

ie

1

I [A]

10-4

10-6

10-2

102Zgomotul de alice [%]

10-6 10-9

10-12 10-1510-310

0

important la curenti mai mici de 1 nA

Znumete zgomot 1/f deoarece puterea de zgomot depinde de locul din spectrul de frecvene n care este plasat banda de frecvene n care este msurat. Fiind dependent de frecven, el nu mai este un zgomot alb ci un zgomot roz (pink noise). Originea lui nu este elucidat pe deplin. Se tie ns c el depinde foarte mult de construcia componentelor electronice folosite i de calitatea circuitului (mai ales a contactelor electrice). De aceea, pentru reducerea efectului zgomotului 1/f asupra semnalelor utile, se recomand executarea unur lipituri de calde, ferme i dac se poate, comtactele ohmice i traseele s fie argintate sau chiar aurite. Efectul su mai poate fi redus prin folosirea unor filtre trece-sus i trece-jos care s taie zgomotul sub sau peste o anumit frecven. Este evident c frecvenele de tiere trebuie astfel alese nct semnalul util s fie n afara domeniilor de frecvene tiate. M

Am menionat i mai sus c practic este imposibil anularea total a efectelor zgomotelor asunalelor utile. n schimb exist multe metode cu ajutorul crora nivelul de zgomot s fie redus iar

raportul semnal/zgomot s fie mbuntit. Pe unele dintre ele le-am amintit chiar atunci cnd am vorbit despre zgomote. n continuare vom enumera cele mai cunoscute metode de reducere a zgomotelor, urmn ca apoi cele mai importante dintre ele s fie tratate n capitole distincte sau n contextul altor capitole.

n general, metodele mari categorii: metode hard, prin intermediul crora se intervine asupra semnalului direct n

procesul de msurare i metode soft, prin intermediul crora se acioneaz, prin metode de calcul, asupra semnalelor achiziionate i memorate. M ecranarea folosirea filtrelor pasive folosirea amplificatoarelor diferen modularea semnalelor detecia sensibil la faz

M mediere filtrarea digital metode de corela

3

ZGOMOTE N ELECTRONIC