نویز 0 13

در مبحث الکترونیک و مخابرات، یکی از مواردی که هر کس بدون توجه به رشته تخصصی اش می بایستی با آن آشنا باشد، مبحث نویز(همهمه) (Noise) است. از آنچه که نویز همواره وجود دارد و کار تمامی سیستم‌ها را عملا محدود می کند و با توجه
به نقش نویز و منابع نویز و انواع نویز در سیستم‌ها، در اینجا عند اللزوم با نویز و منابع، انواع آن و... آشنایی پیدا خواهیم کرد. بحث اعوجاج مستقل از بحث نویز است، یعنی در مسیر انتقال و گیرنده سیگنال می توانیم نویز را صفر فرض کنیم. در واقع اعوجاج تغییر شکل سیگنال به خاطر عبور از کانال انتقال می باشد و مربوط به تابع تبدیل خط انتقال می باشد. سه نوع اصلی آن اعوجاج دامنه، تاخیر و غیرخطی می باشد و خود بحث مستقلی می طلبد.

در این فصل ابتدا به تعریفی از نویز از دیدگاههای مختلف می پردازیم و سپس تعریفی از نویزهای مستقل و وابسته به زمان را داریم و در انتها فرمولهای مربوط به نویز را خواهیم داشت.

نویز چیست؟
تعریف نویز از نظر مخابرات عبارتست از هرگونه انرژی ناخواسته و نامطلوب و مزاحمی که در نقاط مختلفی از مسیر انتقال پیام، وارد پیام شده و موجبات تغییر شکل یا اعوجاج (distortion) را فراهم می آورد. به عبارت دیگر، نویز عبارت است از هر نوع انرژی که وارد دستگاه مخابراتی می شود ولی جزو سیگنال اصلی نباشد و سیگنال را به صورت نامطلوبی تغییر دهد. در یک
تعریف کلی، به هر نوسان و تغییر غیر عمدی که بر روی سیگنال‌های مورد اندازه گیری ظاهر می شود، نویز گفته می شود. در زندگی روزانه نویز(noise) به صدایی ناخواسته و بلند گفته می شود که هیچ نظم موسیقی نداشته باشد. در دورانی که ارتباط رادیویی وجود داشت، نویز «هر سیگنال الکتریکی که باعث مختل کردن ارتباط رادیویی می شود» تعریف شد (برگرفته از فرهنگ لغت وبستر). این نوع نویز قابل شنیدن بود؛ مانند نویزی که در گوشی ها می شنویم.
مثال: در گیرنده های رادیویی، نویز، سبب ایجاد اغتشاش در صدای بلندگو می شود و در گیرنده های تلویزیونی، سبب می شود که تصویر دارای برفک شود و در سیستمهای مخابرات که با پالس، فعالیت و کار می کنند، نویز سبب تداخل و یا از بین بردن سیگنال اصلی شده و نتیجتاً باعث ایجاد اشتباهات فاحش و وخیم می شود.هر قدر پیام، ضعیف باشد، وجود نویز در آنها بیش از سایر نقاط تاثیر می گذارد. همچنین اگر مقدار نویز بسیار زیاد باشد، باعث غیر قابل تشخیص شدن پیام مربوطه می شود. لذا میتوان گفت که نویز باعث کاهش برد و حساسیت دستگاه‌های فرستنده و گیرنده می شود. در ضمن نویز، باعث محدود شدن باند فرکانس مورد استفاده دستگاهها نیز می گردد (مثل رادار).
هر کمیتی می تواند نویز بپذیرد. در مدارهای الکتریکی بیشتر با نویز ولتاژ و جریان سر و کار داریم؛ این نویز ناشی از تغییرات گرمایی و تاثیر آن ها بر روی حامل های الکترونیکی است. در ناحیه رادیو و میکروویو با نویزهای الکترو مغناطیسی روبرو هستیم. گاهی نیز نویزی که ناشی از گرما یا تابش و یونهای کم انرژی هستند. اما نویز می تواند به علت تغییرات غیر عمدی کمیتهای دیگری نیز ایجاد شود.
نویز در همه جا حضور دارد؛ هرجا که سیگنالی اندازه گیری می شود، حتما نوعی نویز بر روی آن ایجاد می شود. هر آزمایش دقیق و با کیفیت بالا که در دنیای فیزیک انجام می شود، به دقت زیادی نیاز دارد تا به توان نویز محیط را پیش بینی و تاثیر آن را کم کرد. اهمیت تحلیل نویز هنگامی کاملا نمایان می شود که کیفیت سیگنال اندازه گیری شده به وسیله مقدار مطلق انرژی سیگنال تعیین نشود بلکه از نسبت سیگنال به نویز تعیین می شود. نتیجه تحققات نشان می دهد که بهترین روش برای بهبود نسبت سیگنال به نویز، کاهش نویز است نه افزایش قدرت سیگنال.نویز تصادفی طبق تعریف، غیر قابل کنترل است و مقدار دقیق آن در آزمایش های مختلف با هم متفاوت است. پس بهتر است که به صورت آماری نشان داده شود. نویز، تصادفی است و معمولا توزیع آن را توزیع گوسی در نظر می گیرند (البته این توزیع معمولا در نظر گرفته می شودولی در شرایط متفاوت ممکن است توزیعهای متفاوتی در نظر گرفته شوند). تصادفی بودن نویز باعث می شود که میانگین آن صفر شود. بنابراین برای توصیف آن از مقادیر توان دو آن استفاده می شود. مقدار موثر نویز از جذر میانگین مربعات آن به دست می آید (rms). البته این پارامتر هیچ اطلاعاتی در مورد متغیر با زمان بودن نویز یا اجزای فرکانسی آن نمی دهد. نویزی ایستا گفته می شود (نامتغیر با زمان) که ویژگیهای آماری آن با زمان تغییرنکند. به طور مثال واریانس یا مقدار موثر آن با زمان تغییر نکند.
شکل سمت چپ نویزی مستقل از زمان را نشان می دهد زیرا با زمان تغییراتی در انرژی آن (که توان دو آن سیگنال است) رخ نداده و شکل سمت راست تغییر پذیر با زمان است (ابتدا مقدار زیادی دارد ولی با گذشت زمان تغییر می کند).

نویز مستقل از زمان.

نویز تغییر پذیر با زمان.

در سیستم‌هایی که چند منبع نویز وجود داشته باشد نویز کلی می تواند به صورت مجموع نویزهای مختلف در نظر گرفته شود. اگر این نویزها مستقل از یکدیگر باشند می توان مقدار موثر را به صورت جمع مقدارهای موثر تک تک منابع نویز در نظر گرفت (نویز هایی مستقل هستند که میانگین حاصلضرب دو به دوی نویزها صفر شود).