노이즈 (전기공학)

일렉트로닉스에서 잡음 또는 노이즈(noise)는 전기 신호의 원치 않는 교란이다.^[1]:5

분홍색 잡음에서 전압의 무작위 변동

전자 기기에 의해 생성되는 잡음은 여러 가지 다른 효과에 의해 발생하므로 크게 달라진다.

특히 잡음은 물리학에 내재되어 있고 열역학의 중심이다. 전기저항이 있는 모든 도체는 본질적으로 열잡음을 발생시킨다. 일렉트로닉스에서 열잡음을 최종적으로 제거하는 것은 극저온에서만 가능하며, 그 경우에도 양자 잡음이 내재되어 있을 것이다.

전자 잡음은 신호 처리의 잡음의 일반적인 구성 요소이다.

통신 시스템에서 잡음은 채널 (통신)에서 유용한 정보 신호의 오류 또는 원치 않는 무작위 교란이다. 잡음은 자연 및 때로는 인공적인 원천에서 발생하는 원치 않거나 방해하는 에너지의 합이다. 그러나 잡음은 일반적으로 간섭과 구별된다.^[a] 예를 들어 신호 대 잡음비(SNR), 신호 대 간섭비(SIR) 및 신호 대 잡음 및 간섭비(SNIR) 측정에서 그렇다. 잡음은 또한 디스토션과도 일반적으로 구별되는데, 이는 통신 장비에 의한 신호 파형의 원치 않는 체계적인 변경으로, 예를 들어 신호 대 잡음 및 디스토션비(SINAD) 및 총 고조파 왜곡 및 잡음(THD+N) 측정에서 그렇다.

잡음은 일반적으로 원치 않지만, 난수 발생기 또는 디더링과 같은 일부 응용 분야에서 유용한 목적으로 사용될 수 있다.

상관 관계 없는 잡음 원천은 일률의 합에 따라 추가된다.^[2]

잡음 유형

다양한 종류의 잡음은 다양한 장치와 다양한 프로세스에 의해 생성된다. 열잡음은 0이 아닌 온도에서 피할 수 없지만(요동-산일 정리 참조), 다른 유형은 주로 장치 유형(예: 푸아송 잡음,^[1][3] 이는 가파른 전위 장벽이 필요함) 또는 제조 품질 및 반도체 결함(예: 1/f 잡음을 포함한 컨덕턴스 변동)에 따라 달라진다.

열잡음

 이 부분의 본문은 열잡음입니다.

열잡음^[1](더 일반적으로 열 잡음)은 피할 수 없으며, 인가된 전압과 관계없이 전기 전도체 내부에서 전하 운반체(보통 전자)의 무작위 열 운동에 의해 생성된다.

열잡음은 대략 백색 잡음이며, 이는 전력 스펙트럼 밀도가 주파수 스펙트럼 전체에 걸쳐 거의 동일하다는 것을 의미한다. 신호의 진폭은 거의 가우스 확률 밀도 함수를 갖는다. 열잡음의 영향을 받는 통신 시스템은 종종 가산 백색 가우스 잡음 (AWGN) 채널로 모델링된다.

푸아송 잡음

 이 부분의 본문은 푸아송 잡음입니다.

전자 장치에서 푸아송 잡음은 전하 운반체(예: 전자)가 틈을 통과할 때 발생하는 전류의 피할 수 없는 무작위 통계적 변동으로 인해 발생한다. 전자가 장벽을 가로질러 흐르면 이산적인 도착 시간을 갖는다. 이러한 이산적인 도착은 푸아송 잡음을 나타낸다. 일반적으로 다이오드의 장벽이 사용된다.^[4] 푸아송 잡음은 양철 지붕에 떨어지는 비로 인해 발생하는 소리와 유사하다. 비의 흐름은 비교적 일정할 수 있지만, 개별 빗방울은 이산적으로 도착한다.^[5]

푸아송 잡음 전류 i_n의 제곱평균제곱근 값은 쇼트키 공식으로 주어진다.

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

여기서 I는 직류 전류이고, q는 전자의 전하이며, ΔB는 헤르츠 단위의 대역폭이다. 쇼트키 공식은 독립적인 도착을 가정한다.

진공관은 전자가 음극에서 무작위로 이탈하여 양극(플레이트)에 도달하기 때문에 푸아송 잡음을 나타낸다. 진공관이 완전한 푸아송 잡음 효과를 나타내지 않을 수도 있다: 공간 전하의 존재는 도착 시간을 부드럽게 하는 경향이 있으며 (따라서 전류의 무작위성을 감소시킨다). 오극관 및 스크린 그리드 사극관은 음극 전류가 스크린 그리드와 양극 사이에서 무작위로 분할되기 때문에 삼극관보다 더 많은 잡음을 나타낸다.

도체와 저항기는 일반적으로 푸아송 잡음을 나타내지 않는다. 전자가 재료 내에서 열평형화되고 확산적으로 움직이기 때문이다. 전자는 이산적인 도착 시간을 갖지 않는다. 푸아송 잡음은 저항성 요소의 크기가 전자-포논 산란 길이보다 짧아질 때 메조스코픽 저항기에서 입증되었다.^[6]

분할 잡음

전류가 두 개(또는 그 이상)의 경로로 나 는 경우,^[7] 이 분할 과정에서 발생하는 무작위 변동으로 인해 잡음이 발생한다.

이러한 이유로 트랜지스터는 두 PN 접합에서 발생하는 결합된 푸아송 잡음보다 더 많은 잡음을 갖게 된다.

플리커 잡음

 이 부분의 본문은 플리커 잡음 및 1/f 잡음입니다.

플리커 잡음은 1/f 잡음이라고도 불리며, 주파수 스펙트럼이 높은 주파수로 갈수록 꾸준히 감소하는 신호 또는 프로세스로, 분홍색 잡음 스펙트럼을 갖는다. 이는 거의 모든 전자 장치에서 발생하며 다양한 효과로 인해 나타난다.

버스트 잡음

 이 부분의 본문은 버스트 잡음입니다.

버스트 잡음은 무작위적이고 예측 불가능한 시간에 걸쳐 두 개 이상의 이산 전압 또는 전류 레벨 사이에서 발생하는 갑작스러운 계단식 전환으로 구성되며, 수백 마이크로볼트에 달할 수 있다. 오프셋 전압 또는 전류의 각 변화는 수 밀리초에서 수 초 동안 지속된다. 이는 오디오 회로에서 발생하는 튀거나 삐걱거리는 소리 때문에 팝콘 잡음으로도 알려져 있다.

전송 시간 잡음

트랜지스터에서 전자가 이미터에서 컬렉터로 이동하는 데 걸리는 시간이 증폭되는 신호의 주기와 비슷해지는 경우, 즉 초단파 및 그 이상의 주파수에서 전송 시간 효과가 발생하고 트랜지스터의 잡음 입력 임피던스가 감소한다. 이 효과가 중요해지는 주파수부터 주파수에 따라 증가하며 다른 잡음 원천을 빠르게 압도한다.^[8]

결합된 잡음

 전자파 적합성 문서를 참고하십시오.

잡음은 전자 회로 자체에서 생성될 수 있지만, 외부 환경에서 유도 결합 또는 정전 용량 결합을 통해, 또는 수신기의 안테나를 통해 추가적인 잡음 에너지가 회로로 결합될 수 있다.

출처

상호변조 잡음

서로 다른 주파수의 신호가 동일한 비선형 매체를 공유할 때 발생한다.

누화

전송 시스템의 한 회로나 채널에서 전송된 신호가 다른 채널의 신호에 원치 않는 간섭을 일으키는 현상.

간섭

매체를 따라 이동하는 신호의 수정 또는 방해

대기 잡음

정적 잡음이라고도 하며, 뇌우의 번개 방전 및 코로나 방전과 같은 자연에서 발생하는 기타 전기적 교란으로 인해 발생한다.

산업 잡음

자동차, 항공기, 점화 전기 모터 및 스위칭 장치, 고 전압 전선 및 형광등과 같은 원천은 산업 잡음을 유발한다. 이러한 잡음은 모든 이러한 작동에서 존재하는 방전에 의해 생성된다.

태양 잡음

태양에서 발생하는 잡음을 태양 잡음이라고 한다. 정상적인 조건에서는 높은 온도로 인해 태양에서 거의 일정한 방사선이 발생하지만, 태양 폭풍은 다양한 전기적 교란을 일으킬 수 있다. 태양 잡음의 강도는 태양활동주기에 따라 시간이 지남에 따라 변한다.

우주 잡음

먼 별들은 우주 잡음이라고 불리는 잡음을 생성한다. 이러한 별들은 개별적으로 지구의 통신 시스템에 영향을 미치기에는 너무 멀리 떨어져 있지만, 그 수가 많기 때문에 상당한 집단적 효과를 유발한다. 우주 잡음은 8MHz에서 1.43GHz 범위에서 관측되었으며, 후자의 주파수는 21cm 수소선에 해당한다. 인위적인 잡음을 제외하고, 약 20MHz에서 120MHz 범위에서 가장 강력한 구성 요소이다. 20MHz 미만의 우주 잡음은 거의 전리층을 투과하지 못하며, 1.5GHz 이상의 주파수에서 최종적으로 사라지는 것은 아마도 이를 생성하는 메커니즘과 성간 공간의 수소에 의한 흡수에 의해 지배될 것이다.

경감

많은 경우 회로 내 신호에서 발견되는 잡음은 원치 않는 것이다. 회로에 유입되는 잡음을 줄일 수 있는 다양한 노이즈 감소 기술이 있다.

1. 패러데이 새장 – 회로를 둘러싼 패러데이 새장은 외부 잡음 원천으로부터 회로를 격리하는 데 사용될 수 있다. 패러데이 새장은 회로 자체에서 발생하는 잡음 원천이나 전원 공급 장치를 포함하여 입력으로 유입되는 잡음 원천을 해결할 수 없다.
2. 정전 용량 결합 – 정전 용량 결합은 회로의 한 부분에서 다른 부분으로 전기장 상호 작용을 통해 AC 신호가 유입되도록 한다. 의도하지 않은 결합의 경우, 향상된 회로 레이아웃 및 접지를 통해 효과를 해결할 수 있다.
3. 접지 루프 – 회로를 접지할 때 접지 루프 (전기)를 피하는 것이 중요하다. 접지 루프는 두 접지 연결 사이에 전압 차이가 있을 때 발생한다. 이를 해결하는 좋은 방법은 모든 접지선을 접지 버스의 동일한 전위로 가져오는 것이다.
4. 차폐 케이블 – 차폐 케이블은 배선을 위한 패러데이 새장으로 생각할 수 있으며, 민감한 회로에서 원치 않는 잡음으로부터 전선을 보호할 수 있다. 차폐는 효과를 위해 접지되어야 한다. 한쪽 끝에만 차폐를 접지하면 차폐에서 접지 루프를 피할 수 있다.
5. 연선 배선 – 회로에서 연선을 꼬는 것은 전자기 잡음을 줄일 것이다. 전선을 꼬는 것은 자기장이 통과하여 전선 사이에 전류를 생성할 수 있는 루프 크기를 줄인다. 꼬인 전선 사이에 작은 루프가 존재할 수 있지만, 이 루프를 통과하는 자기장은 각 전선의 대체 루프에서 반대 방향으로 흐르는 전류를 유도하므로 순 잡음 전류는 없다.
6. 노치 필터 – 노치 필터 또는 대역 저지 필터는 특정 잡음 주파수를 제거하는 데 유용하다. 예를 들어, 건물 내 전력선은 50 또는 60Hz 상용 주파수로 작동한다. 민감한 회로는 이 주파수를 잡음으로 감지할 것이다. 상용 주파수에 맞춰진 노치 필터는 잡음을 제거할 수 있다.

열잡음은 회로 냉각을 통해 줄일 수 있으며, 이는 일반적으로 전파망원경과 같은 고정밀 고가치 응용 분야에서만 사용된다.

정량화

전자 시스템의 잡음 수준은 일반적으로 일률 N을 와트 또는 dBm으로 측정하거나, 제곱평균제곱근 (RMS) 전압(잡음 표준 편차와 동일)을 볼트, dBμV 또는 평균 제곱 오차(MSE)를 제곱 볼트 단위로 측정한다. 전기 잡음 수준 측정 단위의 예로는 dBu, dBm0, dBrn, dBrnC, 및 dBrn(f₁ − f₂), dBrn(144-선)이 있다. 잡음은 확률 분포 및 스펙트럼 밀도 N₀(f)로도 특성화될 수 있으며, 와트/헤르츠 단위로 측정된다.

잡음 신호는 일반적으로 유용한 정보 신호에 선형적으로 추가되는 것으로 간주된다. 잡음과 관련된 일반적인 신호 품질 측정에는 신호 대 잡음비(SNR 또는 S/N), 아날로그-디지털 변환 및 압축에서의 신호 대 양자화 잡음비(SQNR), 이미지 및 비디오 코딩에서의 최대 신호 대 잡음비(PSNR), 그리고 계단식 증폭기에서의 잡음 지수가 있다. 반송파 변조된 통과대역 아날로그 통신 시스템에서, 라디오 수신기 입력의 특정 반송파 대 잡음비(CNR)는 감지된 메시지 신호에서 특정 신호 대 잡음비를 초래할 것이다. 디지털 통신 시스템에서는 특정 Eb/N0(정규화된 신호 대 잡음비)가 특정 비트 오류율을 초래할 것이다. 전기 통신 시스템은 데이터를 효과적으로 전송하기 위해 신호 수준 대 잡음 수준의 비율을 높이려고 노력한다. 전기 통신 시스템의 잡음은 시스템의 내부 및 외부 원천의 산물이다.

잡음은 확률 과정으로, 분산, 확률 분포, 스펙트럼 밀도와 같은 확률적 특성으로 특징지어진다. 잡음의 스펙트럼 분포는 진동수에 따라 달라질 수 있으므로, 그 전력 밀도는 와트/헤르츠(W/Hz)로 측정된다. 저항기 요소의 전력은 그 전압의 제곱에 비례하므로, 잡음 전압(밀도)은 잡음 전력 밀도의 제곱근을 취하여 볼트/${\displaystyle \scriptstyle \mathrm {V} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }}}$로 설명될 수 있다. 집적 회로 장치, 예를 들어 연산 증폭기는 일반적으로 이러한 용어(실온에서)로 등가 입력 잡음 수준을 나타낸다.

디더링

잡음원이 양자화 오차의 경우와 같이 신호와 상관 관계가 있는 경우, 디더링이라고 불리는 추가 잡음을 의도적으로 도입하면 관심 대역폭 내의 전체 잡음을 줄일 수 있다. 이 기술은 기기의 공칭 감지 임계값 이하의 신호를 검색할 수 있게 한다. 이는 확률 공명의 한 예이다.

같이 보기

• 능동 소음 제어 - 소음 제거를 통한 소음 감소
• 소음의 색상
• 우주 마이크로파 배경 복사의 발견
• 오류 검출 정정 - 잡음에 노출된 디지털 신호용
• 생성-재결합 잡음
• 정합 필터 - 모뎀의 노이즈 감소용
• 노이즈 (신호 처리)
• 노이즈 감소 - 오디오 및 이미지용
• 포논 노이즈

내용주

1. 예: 누화, 의도적인 무선 방해 또는 특정 송신기에서 발생하는 기타 원치 않는 전자파장애