Bruit (électronique) - Noise (electronics)

Affichage analogique des fluctuations aléatoires de la tension dans le bruit rose .

En électronique, le bruit est une perturbation indésirable d'un signal électrique. Le bruit généré par les appareils électroniques varie considérablement car il est produit par plusieurs effets différents.

Dans les systèmes de communication , le bruit est une erreur ou une perturbation aléatoire indésirable d'un signal d' information utile . Le bruit est une somme d'énergies indésirables ou perturbatrices provenant de sources naturelles et parfois artificielles. Cependant, le bruit se distingue généralement des interférences , par exemple dans les mesures du rapport signal sur bruit (SNR), du rapport signal sur interférence (SIR) et du rapport signal sur bruit plus interférence (SNIR). Le bruit se distingue également généralement de la distorsion , qui est une altération systématique indésirable de la forme d'onde du signal par l'équipement de communication, par exemple dans les mesures du rapport signal/bruit et distorsion (SINAD) et de la distorsion harmonique totale plus bruit (THD+N).

Bien que le bruit soit généralement indésirable, il peut être utile dans certaines applications, telles que la génération de nombres aléatoires ou le tramage .

Types de bruit

Différents types de bruit sont générés par différents appareils et différents processus. Le bruit thermique est inévitable à une température non nulle (voir le théorème de fluctuation-dissipation ), tandis que d'autres types dépendent principalement du type d'appareil (comme le bruit de grenaille , qui nécessite une barrière de potentiel raide) ou de la qualité de fabrication et des défauts des semi - conducteurs , tels que les fluctuations de conductance, y compris le bruit 1/f .

Bruit thermique

Le bruit Johnson-Nyquist (le plus souvent le bruit thermique) est inévitable et généré par le mouvement thermique aléatoire des porteurs de charge (généralement des électrons ), à l'intérieur d'un conducteur électrique , qui se produit quelle que soit la tension appliquée .

Le bruit thermique est approximativement blanc , ce qui signifie que sa densité spectrale de puissance est presque égale dans tout le spectre de fréquences . L'amplitude du signal a presque une fonction de densité de probabilité gaussienne . Un système de communication affecté par le bruit thermique est souvent modélisé comme un canal de bruit blanc gaussien additif (AWGN).

Bruit de tir

Le bruit de grenaille dans les appareils électroniques résulte de fluctuations statistiques aléatoires inévitables du courant électrique lorsque les porteurs de charge (tels que les électrons) traversent un espace. Si les électrons traversent une barrière, ils ont des temps d'arrivée discrets. Ces arrivées discrètes présentent un bruit de grenaille. Typiquement, la barrière dans une diode est utilisée. Le bruit de grenaille est similaire au bruit créé par la pluie tombant sur un toit en tôle. Le débit de pluie peut être relativement constant, mais les gouttes de pluie individuelles arrivent discrètement.

La valeur quadratique moyenne du courant de bruit de grenaille i n est donnée par la formule de Schottky.

I est le courant continu, q est la charge d'un électron et Δ B est la bande passante en hertz. La formule de Schottky suppose des arrivées indépendantes.

Les tubes à vide présentent un bruit de grenaille parce que les électrons quittent aléatoirement la cathode et arrivent à l'anode (plaque). Un tube peut ne pas présenter l'effet de bruit de grenaille : la présence d'une charge d'espace tend à lisser les temps d'arrivée (et donc à réduire l'aléatoire du courant). Les pentodes et les tétrodes à grille d'écran présentent plus de bruit que les triodes car le courant cathodique se divise de manière aléatoire entre la grille d'écran et l'anode.

Les conducteurs et les résistances ne présentent généralement pas de bruit de grenaille car les électrons se thermalisent et se déplacent de manière diffuse dans le matériau ; les électrons n'ont pas de temps d'arrivée discrets. Le bruit de grenaille a été démontré dans des résistances mésoscopiques lorsque la taille de l'élément résistif devient plus courte que la longueur de diffusion électron-phonon.

Bruit de scintillement

Le bruit de scintillement, également connu sous le nom de bruit 1/ f , est un signal ou un processus avec un spectre de fréquences qui tombe régulièrement dans les fréquences les plus élevées, avec un spectre rose . Il se produit dans presque tous les appareils électroniques et résulte d'une variété d'effets.

Bruit d'éclatement

Le bruit de rafale consiste en des transitions soudaines de type pas entre deux ou plusieurs niveaux de tension ou de courant discrets, pouvant atteindre plusieurs centaines de microvolts , à des moments aléatoires et imprévisibles. Chaque décalage de tension ou de courant de décalage dure de quelques millisecondes à quelques secondes. Il est également connu sous le nom de bruit de pop - corn pour les sons de craquement ou de craquement qu'il produit dans les circuits audio.

Bruit de temps de transit

Si le temps mis par les électrons pour se déplacer de l'émetteur au collecteur dans un transistor devient comparable à la période du signal amplifié, c'est-à-dire à des fréquences supérieures à VHF et au-delà, l'effet du temps de transit se produit et l'impédance d'entrée du bruit de le transistor diminue. A partir de la fréquence à laquelle cet effet devient important, il augmente avec la fréquence et domine rapidement les autres sources de bruit.

Bruit couplé

Alors que du bruit peut être généré dans le circuit électronique lui-même, une énergie de bruit supplémentaire peut être couplée dans un circuit à partir de l'environnement externe, par couplage inductif ou couplage capacitif , ou via l' antenne d'un récepteur radio .

Sources

Bruit d' intermodulation
Causé lorsque des signaux de fréquences différentes partagent le même support non linéaire.
Diaphonie
Phénomène dans lequel un signal transmis dans un circuit ou un canal d'un système de transmission crée des interférences indésirables sur un signal dans un autre canal.
Ingérence
Modification ou perturbation d'un signal circulant le long d'un support
Bruit atmosphérique
Également appelé bruit statique, il est causé par des décharges de foudre lors d'orages et d'autres perturbations électriques se produisant dans la nature, telles que les décharges corona .
Bruit industriel
Des sources telles que les automobiles, les avions, les moteurs électriques d'allumage et les appareils de commutation, les fils à haute tension et les lampes fluorescentes provoquent du bruit industriel. Ces bruits sont produits par la décharge présente dans toutes ces opérations.
Bruit solaire
Le bruit qui provient du Soleil est appelé bruit solaire . Dans des conditions normales, le rayonnement solaire est à peu près constant en raison de sa température élevée, mais les tempêtes solaires peuvent provoquer diverses perturbations électriques. L'intensité du bruit solaire varie au cours du temps dans un cycle solaire .
Bruit cosmique
Les étoiles lointaines génèrent un bruit appelé bruit cosmique. Alors que ces étoiles sont trop éloignées pour affecter individuellement les systèmes de communication terrestres , leur grand nombre entraîne des effets collectifs appréciables. Le bruit cosmique a été observé dans une gamme de 8 MHz à 1,43 GHz, cette dernière fréquence correspondant à la raie de l'hydrogène à 21 cm . En dehors du bruit artificiel, c'est le composant le plus puissant sur la plage d'environ 20 à 120 MHz. Peu de bruit cosmique en dessous de 20MHz pénètre dans l'ionosphère, tandis que sa disparition éventuelle à des fréquences supérieures à 1,5 GHz est probablement régie par les mécanismes qui le génèrent et son absorption par l'hydrogène dans l'espace interstellaire.

Atténuation

Dans de nombreux cas, le bruit trouvé sur un signal dans un circuit est indésirable. Il existe de nombreuses techniques de réduction du bruit qui peuvent réduire le bruit capté par un circuit.

  1. Cage de Faraday – Une cage de Faraday renfermant un circuit peut être utilisée pour isoler le circuit des sources de bruit externes. Une cage de Faraday ne peut pas traiter les sources de bruit qui proviennent du circuit lui-même ou de celles transportées sur ses entrées, y compris l'alimentation.
  2. Couplage capacitif - Le couplage capacitif permet à un signal alternatif d'une partie du circuit d'être capté dans une autre partie par l'interaction de champs électriques. Lorsque le couplage n'est pas intentionnel, les effets peuvent être traités par une disposition de circuit et une mise à la terre améliorées.
  3. Boucles de terre – Lors de la mise à la terre d'un circuit, il est important d'éviter les boucles de terre . Les boucles de terre se produisent lorsqu'il y a une différence de tension entre deux connexions à la terre. Un bon moyen de résoudre ce problème consiste à amener tous les fils de terre au même potentiel dans un bus de terre.
  4. Câbles de blindage – Un câble blindé peut être considéré comme une cage de Faraday pour le câblage et peut protéger les fils des bruits indésirables dans un circuit sensible. Le blindage doit être mis à la terre pour être efficace. La mise à la terre du blindage à une seule extrémité peut éviter une boucle de masse sur le blindage.
  5. Câblage à paires torsadées – La torsion des fils dans un circuit réduira le bruit électromagnétique. La torsion des fils diminue la taille de la boucle dans laquelle un champ magnétique peut traverser pour produire un courant entre les fils. De petites boucles peuvent exister entre les fils torsadés ensemble, mais le champ magnétique traversant ces boucles induit un courant circulant dans des directions opposées dans des boucles alternées sur chaque fil et il n'y a donc pas de courant de bruit net.
  6. Filtres coupe-bande – Les filtres coupe-bande ou les filtres de rejet de bande sont utiles pour éliminer une fréquence de bruit spécifique. Par exemple, les lignes électriques d'un bâtiment fonctionnent à une fréquence de 50 ou 60 Hz . Un circuit sensible captera cette fréquence sous forme de bruit. Un filtre coupe-bande réglé sur la fréquence de ligne peut supprimer le bruit.

Quantification

Le niveau de bruit dans un système électronique est généralement mesuré comme une puissance électrique N en watts ou dBm , une tension quadratique moyenne (RMS) (identique à l' écart type du bruit ) en volts, dBμV ou une erreur quadratique moyenne (MSE) en volts au carré. Des exemples d'unités de mesure du niveau de bruit électrique sont dBu , dBm0 , dBrn , dBrnC et dBrn( f 1f 2 ), dBrn (144- line ). Le bruit peut également être caractérisé par sa distribution de probabilité et sa densité spectrale de bruit N 0 ( f ) en watts par hertz.

Un signal de bruit est généralement considéré comme une addition linéaire à un signal d'information utile. Les mesures typiques de la qualité du signal impliquant du bruit sont le rapport signal/bruit (SNR ou S / N ), le rapport signal/bruit de quantification (SQNR) en conversion et compression analogique/numérique , le rapport signal/bruit de crête (PSNR) ) dans le codage image et vidéo et le facteur de bruit dans les amplificateurs en cascade. Dans un système de communication analogique à bande passante modulée par porteuse, un certain rapport porteuse/bruit (CNR) à l'entrée du récepteur radio se traduirait par un certain rapport signal/bruit dans le signal de message détecté. Dans un système de communication numérique, un certain E b / N 0 (rapport signal sur bruit normalisé) entraînerait un certain taux d'erreur sur les bits . Les systèmes de télécommunication s'efforcent d'augmenter le rapport entre le niveau de signal et le niveau de bruit afin de transférer efficacement les données. Le bruit dans les systèmes de télécommunication est un produit de sources internes et externes au système.

Le bruit est un processus aléatoire, caractérisé par des propriétés stochastiques telles que sa variance , sa distribution et sa densité spectrale . La distribution spectrale du bruit peut varier avec la fréquence , de sorte que sa densité de puissance est mesurée en watts par hertz (W/Hz). Étant donné que la puissance dans un élément résistif est proportionnelle au carré de la tension à ses bornes, la tension de bruit (densité) peut être décrite en prenant la racine carrée de la densité de puissance de bruit, ce qui donne des volts par racine hertz ( ). Les dispositifs à circuits intégrés , tels que les amplificateurs opérationnels, citent généralement un niveau de bruit d'entrée équivalent en ces termes (à température ambiante).

Tremblement

Si la source de bruit est corrélée au signal, comme dans le cas d'une erreur de quantification , l'introduction intentionnelle d'un bruit supplémentaire, appelé dither , peut réduire le bruit global dans la bande passante d'intérêt. Cette technique permet de récupérer des signaux inférieurs au seuil de détection nominal d'un instrument. Ceci est un exemple de résonance stochastique .

Voir également

Remarques

Les références

Lectures complémentaires

  • Ch. Kogan (1996). Bruit électronique et fluctuations dans les solides . La presse de l'Universite de Cambridge. ISBN 0-521-46034-4.
  • Scherz, Paul. (2006, 14 novembre) L'électronique pratique pour les inventeurs . éd. McGraw-Hill.

Liens externes