Troksnis elektronikā un sakaru sistēmās: definīcija, cēloņi, veidi

Uzzini troksņa definīciju, cēloņus un veidus elektronikā un sakaru sistēmās — kā tas bojā signālus, galvenie avoti un efektīvi risinājumi drošākai pārraidei.

Elektronikā troksnis ir elektriskā signāla nejaušas svārstības. Tas notiek visās elektroniskajās ķēdēs. Elektronisko ierīču radītais troksnis ir ļoti atšķirīgs. Sakaru sistēmās troksnis ir kļūda vai nejaušs noderīgas informācijas traucējums sakaru kanālā.

Troksnis ir nevēlamas vai traucējošas enerģijas kopums, ko rada dabas un dažkārt arī cilvēka radīti avoti. Trokšņus parasti atšķir no traucējumiem, piemēram, tīšiem traucējumiem vai citiem nevēlamiem elektromagnētiskiem traucējumiem.

Ja ziņojums tiek pārraidīts dabiskā valodā (burtu virkne, kas ir saprotama), tad tas ir izturīgāks pret trokšņiem nekā runātā valodā.

Ko nozīmē troksnis un kā to raksturo

Troksnis praktiski nozīmē visas tās nejaušās, nevēlamās svārstības signālā, kas samazina informācijas uzticamību vai kvalitāti. Galvenie raksturlielumi:

• Spectrum — kā enerģija ir sadalīta pa frekvencēm (piem., baltais troksnis ir aptuveni vienmērīgi sadalīts plašā frekvenču joslā).
• Vidējā jauda — kopējā troksņa enerģija, bieži mērīta vatos vai dBm.
• SNR (signal-to-noise ratio) — signāla attiecība pret troksni, svarīgs rādītājs sakaros un mērķa uzticamībai.
• Spektrālā blīvuma blīvums (N0) — jaudas blīvums uz Hz, svarīgi digitālās sakaru analīzē.

Galvenie troksņa cēloņi

• Termiskais (Džona) troksnis — elektronālo komponentu termiskās svārstības; tas ir gandrīz vienmēr klāt un bieži tiek modelēts kā baltais (Gaussiskais) troksnis.
• Šātas (shot) troksnis — notiek pusvadītājos, kur lādiņu diskretā pārvietošanās rada strāvas svārstības, svarīgs zemu strāvu režīmos.
• Flicker (1/f) troksnis — zemfrekvenču troksnis, kura jauda pieaug, tuvojoties nullei (bieži svarīgs audio un zemu frekvenču mērierīcēm).
• Impulsa un sprādzienveida troksnis — īslaicīgi, spēcīgi traucējumi (piem., zibens, slēdžu pārejas, motoru starti).
• Krosstalk un modeļu pārslēgšanās — signālu savstarpēja ietekme vadu tuvumā vai uz PCB.
• Elektromagnētiskā traucēšana (EMI) — ārēji avoti, piemēram, radio stacijas, mobilo sakaru bāzes stacijas, rūpnieciskā iekārta vai elektromotori.
• Cilvēka darbības avoti — slēdžu barošanas avoti, fluorescences spuldzes, šķēršļi barošanas tīklā.

Troksnis sakaru sistēmās — veidi un ietekme

Sakaru kanālā troksnis var izpausties dažādi un tieši samazina pārraides drošību un bitu kļūdu līmeni.

• Baltais Gaussiskais troksnis (AWGN) — matemātiski ērts modelis, kurā troksnis ir stohastisks un vienmērīgi sadalīts frekvenču joslā; bieži lietots teorētiskās analīzēs un simulatācijās.
• Kanāla izraisītas deformācijas — izkliedes un multipath rada laika novēlotes un fāzes izmaiņas, kas kombinējas ar troksni.
• Periodiski vai sinusoīdi traucējumi — harmoniski signāli, kas ieved tonālu troksni vai intermodulācijas produktus.

Troksnis palielina bitu kļūdu varbūtību; sakaru inženieri izmanto SNR, Eb/N0 un BER (bit error rate) kā galvenos kvalitātes indikatorus.

Mērīšana un paraugi

• Spektrālais analizators — parāda troksni frekvenču domēnā un ļauj identificēt šaurjoslas traucējumus.
• Osciloskops — noderīgs impulsu/trasientu analīzei laika domēnā.
• Noise figure (NF) un SNR — pastiprinātāju un uztvērēju kvalitātes rādītāji.

Trokšņa samazināšanas un pārvaldības paņēmieni

Praktiskās metodes troksnim ierobežot:

• Filtrēšana — zemas vai augstas frekvences filtri, joslu filtrs, notch filtri, lai izņemtu nevēlamas frekvences.
• Shielding un zemēšana — metāla aizsargs un pareiza zemes shēma samazina EMI un zemes cilpas.
• Signālu pārraide diferenciāli un tinumu iesaiste — twisted pair, koaksiālie kabeļi, optiskie šķiedri samazina ārējo traucējumu ietekmi.
• Elektroniskā dizaina pasākumi — daļējo shēmu atdalīšana, jaudas un signāla slēdži, dekupēšanas kondensatori, pareiza PCB trasēšana un zemes plāksnes.
• Modulācijas un kanalizācijas metodes — OFDM, spread spectrum, frekvenču skaņu maiņa, kas palielina izturību pret konkrētiem traucējumiem.
• Kļūdu labošanas kodi un interleaving — FEC (forward error correction), CRC un interleaving palīdz atgūt datus, pat ja daļa bitu bojāta.
• Adaptīvā ekvalizācija un trokšņa novērtēšana — dinamiska pielāgošanās kanāla apstākļiem, lietojot DSP metodes.
• Fiziskā distances vai ekrānošana no traucējošiem avotiem — vienkāršs un efektīvs veids, kā samazināt krosstalk un EMI.

Praktiski piemēri un ieteikumi

• Rūpnieciskā iekārtā ar lieliem elektromotoru impulsiem uzstādi atsevišķu barošanas ķēdi, pievieno filtrus un pareizi zemē — samazinās impulsu troksni.
• Audio sistēmās izmanto zemas frekvences filtrus un pareizu kabelu maršrutēšanu, lai novērstu 1/f troksni un zemfrekvences traucējumus.
• Sakaru tīklos plāno spektru un izmanto FEC vai retranslāciju, ja SNR ir zems vai ir bieži impulsu bojājumi.
• Projektējot PCB, ievēro atdalīšanu starp digitālajiem un analogajiem laukumiem, izmanto zemes plāksnes un starpslāņus, lai samazinātu trokšņa pāriešanu.

Secinājums

Troksnis ir neatņemama elektronikas un sakaru sistēmu daļa. Saprotot troksņa cēloņus, veidus un raksturlielumus, iespējams izvēlēties atbilstošas metodes tā ierobežošanai — no fiziskas izolācijas un filtrēšanas līdz modernām modulācijas un kļūdu labošanas tehnikām. Pareiza dizaina, mērījumu un testēšanas kombinācija nodrošina, ka sistēma strādā uzticami arī trokšņainā vidē.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir troksnis elektronikā?

J: Vai trokšņi rodas visās elektroniskajās shēmās?

J: Kā troksnis mainās elektroniskajās ierīcēs?

J: Kas ir troksnis sakaru sistēmās?

J: Kas veido troksni?

Vai troksnis ir tas pats, kas traucējumi?

J: Kura valoda ir izturīgāka pret trokšņiem - sarunvaloda vai dabiskā valoda?

Meklēt pēc burta