ノイズ（電子機器）

電子工学において、ノイズとは電気信号に生じる望ましくない妨害のことである。^{[ 1 ]}^{: 5}

電子機器から発生するノイズは、さまざまな効果によって生成されるため、大きく異なります。

特に、ノイズは物理学に内在するものであり、熱力学の中心的な概念です。電気抵抗を持つ導体は、本質的に熱ノイズを生成します。電子機器における熱ノイズの最終的な除去は極低温でのみ可能であり、その場合でも量子ノイズは依然として内在的に残ります。

通信システムにおいて、ノイズとは通信チャネルにおける有用な情報信号のエラーまたは不必要なランダム妨害のことである。ノイズは、自然発生源、時には人工発生源からの不要または妨害的なエネルギーの総和である。しかし、ノイズは通常、干渉とは区別され、^[^a^]例えば、信号対雑音比(SNR)、信号対干渉比(SIR)、信号対雑音＋干渉比(SNIR) の指標で区別される。ノイズは通常、歪みとも区別され、歪みは通信機器による信号波形の不必要な体系的な変更であり、例えば、信号対雑音＋歪み比(SINAD) や全高調波歪み＋雑音(THD+N) の指標で区別される。

ノイズは一般的には不要ですが、乱数生成やディザなどの一部のアプリケーションでは便利な目的を果たすことができます。

相関関係のないノイズ源は、それぞれのパワーの合計に応じて加算されます。^{[ 2 ]}

ノイズの種類

異なるデバイスやプロセスによって、異なる種類のノイズが生成されます。熱ノイズは非零温度では避けられません（揺らぎ散逸定理を参照）。一方、他の種類のノイズは、主にデバイスの種類（ショットノイズなど、^{[ 1 ]}^{[ 3 ]}は急峻な電位障壁を必要とする）や製造品質、半導体欠陥（1/fノイズを含むコンダクタンス変動など）に依存します。

熱雑音

ジョンソン・ナイキスト雑音^{[ 1 ]}（一般的には熱雑音）は避けられず、導電体内部の電荷キャリア（通常は電子）のランダムな熱運動によって生成され、印加電圧に関係なく発生します。

熱雑音はほぼ白色雑音であり、そのパワースペクトル密度は周波数スペクトル全体にわたってほぼ等しいことを意味します。信号の振幅は、ほぼガウス分布の確率密度関数を持ちます。熱雑音の影響を受ける通信システムは、しばしば加法性白色ガウス雑音（AWGN）チャネルとしてモデル化されます。

ショットノイズ

電子デバイスにおけるショットノイズは、電荷キャリア（電子など）がギャップを通過する際に生じる電流の避けられないランダムな統計的変動によって生じます。電子が障壁を横切る場合、電子の到着時間は離散的になります。この離散的な到着がショットノイズとなります。ダイオードでは、典型的には障壁が用いられます。 ^{[ 4 ]}ショットノイズは、トタン屋根に雨が落ちるときに発生するノイズに似ています。雨の流れは比較的一定ですが、個々の雨滴は離散的に到着します。^{[ 5 ]}

ショットノイズ電流i _nの二乗平均平方根値はショットキーの式で与えられます。

i_{n}={\sqrt {2Iq\Delta B}}

ここで、Iは直流電流、qは電子の電荷、Δ Bは帯域幅（Hz）です。ショットキーの公式は、波の到来が独立していると仮定しています。

真空管は、電子がカソードからランダムに出てアノード（プレート）に到達するため、ショットノイズを発生します。真空管によっては、ショットノイズ効果が完全には現れない場合があります。空間電荷の存在により、到達時間が平滑化される（したがって電流のランダム性が低下する）傾向があるためです。五極管とスクリーングリッド四極管は、カソード電流がスクリーングリッドとアノードの間でランダムに分割されるため、三極管よりもノイズが大きくなります。

導体や抵抗器では、電子が熱平衡状態となり、材料内を拡散的に移動するため、通常、ショットノイズは発生しません。電子の到着時間は離散的ではありません。メソスコピック抵抗器では、抵抗素子のサイズが電子-フォノン散乱長よりも短くなると、ショットノイズが発生することが実証されています。^{[ 6 ]}

パーティションノイズ

電流が2つ（またはそれ以上）の経路に分割される場合、^{[ 7 ]}この分割中に発生するランダムな変動の結果としてノイズが発生します。

このため、トランジスタのノイズは、2 つの PN 接合からのショットノイズの合計よりも多くなります。

フリッカーノイズ

フリッカーノイズ（1/ fノイズとも呼ばれる）は、高周波数帯域にかけて徐々に減衰し、ピンク色のスペクトルを持つ信号またはプロセスです。ほぼすべての電子機器に発生し、様々な要因によって発生します。

バーストノイズ

バーストノイズは、数百マイクロボルトにも及ぶ2つ以上の離散的な電圧または電流レベル間の、ランダムかつ予測不可能なタイミングで発生する、突然のステップ状の遷移です。オフセット電圧またはオフセット電流の各変化は、数ミリ秒から数秒間持続します。オーディオ回路で発生するポップ音やパチパチ音から、ポップコーンノイズとも呼ばれます。

通過時間ノイズ

トランジスタにおいて、電子がエミッタからコレクタまで移動する時間が増幅される信号の周期と同程度になる場合、つまりVHF以上の周波数では、通過時間効果が発生し、トランジスタのノイズ入力インピーダンスが低下します。この効果が顕著になる周波数から、この効果は周波数とともに増大し、すぐに他のノイズ源を圧倒するようになります。^{[ 8 ]}

結合ノイズ

電子回路自体でノイズが生成される場合もありますが、誘導結合や容量結合、あるいは無線受信機のアンテナを通じて、外部環境から追加のノイズエネルギーが回路に結合されることもあります。

出典

相互変調ノイズ: 異なる周波数の信号が同じ非線形媒体を共有する場合に発生します。

クロストーク: 伝送システムの 1 つの回路またはチャネルで伝送された信号が、別のチャネルの信号に不要な干渉を引き起こす現象。

干渉: 媒体に沿って伝わる信号の変更または妨害

大気騒音: 静的ノイズとも呼ばれ、雷雨時の雷放電やコロナ放電など自然界で発生するその他の電気的障害によって発生します。

産業騒音: 自動車、航空機、点火用電動モーター、開閉装置、高圧線、蛍光灯などの発生源は、産業騒音の原因となります。これらの騒音は、これらすべての動作中に発生する放電によって発生します。

太陽のノイズ: 太陽から発生するノイズは太陽ノイズと呼ばれます。通常の状態では、太陽は高温であるため、太陽からの放射はほぼ一定ですが、太陽嵐が発生すると様々な電気的擾乱が発生します。太陽ノイズの強度は、太陽活動周期に応じて変化します。

宇宙のノイズ: 遠方の星は宇宙ノイズと呼ばれるノイズを発生させます。これらの星はそれぞれが地上の通信システムに影響を与えるには遠すぎますが、その数が多いため、集団的な影響は顕著です。宇宙ノイズは8MHzから1.43GHzの範囲で観測されており、後者の周波数は21cm水素線に相当します。人為的なノイズを除けば、約20MHzから120MHzの範囲で最も強い成分です。20MHz未満の宇宙ノイズは電離層をほとんど透過しませんが、1.5GHzを超える周波数では、ノイズの発生メカニズムと星間空間の水素による吸収によって最終的に消滅すると考えられます。

緩和

多くの場合、回路内の信号にノイズが混入することは望ましくありません。回路が拾うノイズを低減できる様々なノイズ低減技術が存在します。

ファラデーケージ –回路を囲むファラデーケージは、回路を外部のノイズ源から分離するために使用できます。ファラデーケージは、回路自体から発生するノイズ源や、電源を含む入力から侵入するノイズ源に対処することはできません。
容量性結合 –容量性結合は、回路のある部分からの交流信号が電界の相互作用によって別の部分で拾われることを可能にします。結合が意図的でない場合は、回路レイアウトと接地を改善することでその影響に対処できます。
グランドループ – 回路を接地する際には、グランドループを回避することが重要です。グランドループは、2つの接地接続間に電圧差がある場合に発生します。これを解決する良い方法は、すべてのグランド線をグランドバス内で同電位にすることです。
シールドケーブル –シールドケーブルは配線用のファラデーケージのようなもので、高感度回路における不要なノイズから配線を保護します。シールドの効果を発揮するには、必ず接地する必要があります。シールドの片端のみを接地することで、シールド上のグラウンドループを回避できます。
ツイストペア配線 –回路内の電線をツイストすることで、電磁ノイズを低減できます。電線をツイストすることで、磁界が電線間に電流を発生させるループサイズが小さくなります。撚り合わされた電線間には小さなループが存在する場合がありますが、これらのループを通過する磁界によって、各電線上の交互のループに逆方向の電流が誘導されるため、実質的なノイズ電流は発生しません。
ノッチフィルタ – ノッチフィルタまたは帯域阻止フィルタは、特定のノイズ周波数を除去するのに役立ちます。例えば、建物内の電力線は50Hzまたは60Hzのライン周波数で配線されています。高感度回路はこの周波数をノイズとして拾ってしまいます。ライン周波数に合わせて調整されたノッチフィルタは、このノイズを除去できます。

熱ノイズは回路を冷却することで低減できますが、これは通常、電波望遠鏡などの高精度で価値の高いアプリケーションでのみ採用されます。

定量化

電子システムにおけるノイズレベルは、通常、ワットまたはdBm単位の電力N、ボルト単位の実効値（RMS）電圧（ノイズ標準偏差と同じ）、dBμV、またはボルトの二乗単位の平均二乗誤差（MSE）で測定されます。電気ノイズレベルの測定単位の例としては、dBu、dBm0、dBrn、dBrnC、dBrn(f 1 − f 2 )、dBrn(144- line )などがあります。ノイズは、確率分布とノイズスペクトル_密度N 0 ₍ f ) （ワット/ヘルツ_単位）によって特徴付けられることもあります。

ノイズ信号は通常、有用な情報信号への線形加算として考えられます。ノイズを含む一般的な信号品質の尺度は、信号対雑音比(SNR またはS / N )、アナログからデジタルへの変換および圧縮における信号対量子化雑音比(SQNR) 、画像およびビデオ符号化におけるピーク信号対雑音比(PSNR)、およびカスケード増幅器における雑音指数です。搬送波変調パスバンドアナログ通信システムでは、無線受信機入力における特定の搬送波対雑音比(CNR) によって、検出されたメッセージ信号で特定の信号対雑音比が生じます。デジタル通信システムでは、特定のE _b / N ₀ (正規化信号対雑音比) によって、特定のビット誤り率が生じます。通信システムは、データを効率的に転送するために、信号レベルと雑音レベルの比を高めようとします。通信システムにおけるノイズは、システムの内部および外部の発生源によって生じます。

Noise is a random process, characterized by stochastic properties such as its variance, distribution, and spectral density. The spectral distribution of noise can vary with frequency, so its power density is measured in watts per hertz (W/Hz). Since the power in a resistive element is proportional to the square of the voltage across it, noise voltage (density) can be described by taking the square root of the noise power density, resulting in volts per root hertz ( $\scriptstyle \mathrm {V} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }}$ ). Integrated circuit devices, such as operational amplifiers commonly quote equivalent input noise level in these terms (at room temperature).

Dither

If the noise source is correlated with the signal, such as in the case of quantisation error, the intentional introduction of additional noise, called dither, can reduce overall noise in the bandwidth of interest. This technique allows retrieval of signals below the nominal detection threshold of an instrument. This is an example of stochastic resonance.

Notes

^E.g. crosstalk, deliberate jamming or other unwanted electromagnetic interference from specific transmitters

References

^ ^a ^b ^cMotchenbacher, C. D.; Connelly, J. A. (1993). Low-noise electronic system design. Wiley Interscience. ISBN 0-471-57742-1.
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^Ott, Henry W. (1976), Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, John Wiley, pp. 208, 218, ISBN 0-471-65726-3
^マクドナルド、DKC（2006）、ノイズと変動：入門、ドーバー出版、p.2、ISBN 0-486-45029-5
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^ 「パーティションノイズ」。 2021年11月5日閲覧。
^コミュニケーション理論. 技術出版. 1991年. 3～ 6頁. ISBN 9788184314472。

この記事には、連邦規格1037Cのパブリックドメイン資料が含まれています。一般調達局。2022年1月22日時点のオリジナル記事からのアーカイブ。( MIL-STD-188 をサポート)。

さらに読む

Sh. Kogan (1996). 『固体における電子ノイズと変動』ケンブリッジ大学出版局. ISBN 0-521-46034-4。
Scherz, Paul. (2006年11月14日) 『発明家のための実用エレクトロニクス』編集. McGraw-Hill.

外部リンク

[2] E.g. crosstalk, deliberate jamming or other unwanted electromagnetic interference from specific transmitters

[noise-1] Motchenbacher, C. D.; Connelly, J. A. (1993). Low-noise electronic system design. Wiley Interscience. ISBN 0-471-57742-1.

[3] Sobering, Tim J. (1999). "Noise in Electronic Systems"(PDF). Archived(PDF) from the original on 2023-05-20. Retrieved 2024-04-07.

[shot-4] Kish, L. B.; Granqvist, C. G. (November 2000). "Noise in nanotechnology". Microelectronics Reliability. 40 (11). Elsevier: 1833–1837. doi:10.1016/S0026-2714(00)00063-9.

[5] Ott, Henry W. (1976), Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, John Wiley, pp. 208, 218, ISBN 0-471-65726-3

[6] マクドナルド、DKC（2006）、ノイズと変動：入門、ドーバー出版、p.2、ISBN 0-486-45029-5

[7] Steinbach, Andrew; Martinis, John; Devoret, Michel (1996-05-13). 「金属抵抗器におけるホットエレクトロンショットノイズの観測」. Phys. Rev. Lett . 76 (20): 38.6 – 38.9 . Bibcode : 1996PhRvL..76...38M . doi : 10.1103/PhysRevLett.76.38 . PMID 10060428 .

[8] 「パーティションノイズ」。 2021年11月5日閲覧。

[9] コミュニケーション理論. 技術出版. 1991年. 3～ 6頁. ISBN 9788184314472。

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