szum

szum,

telekom. zjawisko fiz. polegające na przypadkowych, niemożliwych do przewidzenia zmianach (fluktuacjach) pewnych wielkości fiz. lub wielkości z nimi związanych.

Termin „szum” pochodzi z akustyki, w której oznacza specyficzne efekty dźwiękowe towarzyszące rozchodzeniu się fal dźwiękowych i związane z drganiami ciał stałych, fluktuacjami ciśnienia i gęstości ośr. ciekłego lub gazowego, kawitacją w ośr. ciekłym. W telekomunikacji terminem sz. określa się wszystkie niepożądane składniki występujące przypadkowo w sygnale, które zakłócając działanie układu (urządzenia) elektr. zniekształcają przebieg transmisji i przetwarzania sygnałów. Każdy sz. ma cechy sygnału losowego, podlega zatem opisowi statyst. stosowanemu przy analizie procesów stochastycznych. Sz. może być charakteryzowany przez widmową gęstość mocy (widmo sygnału), rozkład wartości chwilowych lub funkcję autokorelacji.

W obwodach elektr. sz. mogą powodować źródła zewn. i wewnętrzne. Do pierwszych zalicza się: wyładowania atmosferyczne (sz. atmosferyczny), promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez obiekty astr. (sz. kosmiczny), pola elektr. i magnet. wytwarzane przez urządzenia elektr. (sz. przem.). Źródła wewn. to gł. różnorodne procesy fiz. zachodzące w elementach obwodów elektr., prowadzące do powstania przypadkowych, nie dających się wyeliminować fluktuacji napięcia i natężenia prądu w obwodzie (sz. własne), a ich intensywność (poziom sz.) zależy gł. od rodzaju elementu, sposobu jego wykonania i warunków pracy; do najczęściej spotykanych należą w tym przypadku sz.: cieplny, śrutowy i typu 1/f.

Sz. cieplny, zw. niekiedy sz. Johnsona, jest spowodowany chaotycznym ruchem termicznym nośników ładunku; ruch ten wywołuje w dowolnym elemencie rezystancyjnym (o rezystancji R) w przedziale częst. Δf (zw. pasmem szumowym) przypadkowe fluktuacje napięcia, czyli powstanie tzw. napięcia sz., którego wartość średnia kwadratowa jest określona wzorem: (k_B — stała Boltzmanna, T — temperatura bezwzględna).

Sz. śrutowy powstaje podczas przechodzenia nośników ładunku przez barierę potencjału (np. złącze p-n), co powoduje przypadkowe fluktuacje wartości chwilowej natężenia prądu, czyli powstanie tzw. prądu sz., którego wartość średnia kwadratowa w pasmie szumowym Δf jest określona wzorem: (e — ładunek elektr. elementarny, I — wartość średnia natężenia prądu). W przyrządach półprzewodnikowych występuje ponadto sz. śrutowy związany z dyfuzją nośników oraz z fluktuacją liczby nośników spowodowaną przypadkowymi zmianami prędkości procesów generacji i rekombinacji nośników (sz. dyfuzyjny i sz. generacyjno-rekombinacyjny).

Sz. typu 1/f, zw. też sz. migotania lub małoczęstotliwościowym, powstaje w elementach elektronicznych (np. w przyrządach półprzewodnikowych, lampach elektronowych, rezystorach) w wyniku działania kilku różnych zjawisk fiz., gł. związanych z właściwościami powierzchniowymi elementów, wpływającymi na zjawiska transportu i emisji elektronów, oraz z procesami generacyjno-rekombinacyjnymi nośników ładunku; widmowa gęstość mocy tego sz. jest w przybliżeniu proporcjonalna do 1/f. Sz. typu 1/f dominuje w zakresie małych częst., przy większych częst. jest maskowany sz. cieplnym i śrutowym.

Sz. o równomiernym widmie mocy, tj. widmie zawierającym składowe wszystkich częst., nosi nazwę sz. białego; zalicza się do niego zarówno sz. cieplny, jak i śrutowy.

Sz. ogranicza czułość urządzeń odbiorczych, utrudniając, a niekiedy nawet uniemożliwiając, wykrywanie sygnału użytecznego. Ogranicza też dynamiczny zakres pracy tych urządzeń, określony stosunkiem maks. poziomu sygnału wejściowego do poziomu sz. Może być przyczyną zniekształcenia sygnału użytecznego (np. pogorszenia jakości odbioru dźwięku lub obrazu), błędów w przekazie informacji (danych) lub nadmiernego promieniowania w pobliżu anteny nadawczej. Sz. nie można całkowicie wyeliminować, dąży się zatem, aby jego poziom był możliwie mały lub aby odstęp między poziomem sygnału użytecznego a poziomem sz. był możliwie duży. Prowadzi do tego doskonalenie procesów wytwarzania elementów oraz układów z nich złożonych, a także stosowanie coraz skuteczniejszych metod redukcji sz. (Dolby systemy) bądź specjalnych systemów przesyłania informacji drogą radiową (radiokomunikacyjny system z rozproszonym widmem).

Bibliografia

L. Hasse, L. Spiralski Szumy elementów i układów elektronicznych, Warszawa 1981;

P. Horowitz, W. Hill Sztuka elektroniki t. 1–2, Warszawa 1997.