In der Signalverarbeitung ist Rauschen ein Oberbegriff für unerwünschte (und im Allgemeinen unbekannte) Veränderungen, die ein Signal während der Erfassung, Speicherung, Übertragung, Verarbeitung oder Umwandlung erfahren kann. [ 1 ]
Manchmal wird der Begriff auch für Signale verwendet, die zufällig ( unvorhersehbar ) sind und keine nützlichen Informationen enthalten ; selbst wenn sie andere Signale nicht stören oder absichtlich eingeführt wurden, wie beispielsweise bei Komfortrauschen .
Rauschunterdrückung , also die Wiederherstellung des Originalsignals aus dem verrauschten Signal, ist ein häufiges Ziel bei der Entwicklung von Signalverarbeitungssystemen, insbesondere von Filtern . Die mathematischen Grenzen der Rauschunterdrückung werden durch die Informationstheorie bestimmt .
Lärmarten
Rauschen in der Signalverarbeitung kann anhand seiner statistischen Eigenschaften (manchmal auch als „ Farbe “ des Rauschens bezeichnet) und danach klassifiziert werden, wie es das beabsichtigte Signal verändert:
- Additives Rauschen wird dem beabsichtigten Signal hinzugefügt.
- Weißes Rauschen
- Schwarzes Rauschen
- Gaußsches Rauschen
- Rosa Rauschen oder Flimmerrauschen mit 1/ f- Leistungsspektrum
- Brownsches Rauschen mit 1/ f² - Leistungsspektrum
- Verunreinigtes Gaußsches Rauschen, dessen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion eine lineare Mischung von Gaußschen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen ist
- Potenzgesetzrauschen
- Cauchy-Rauschen
- Multiplikatives Rauschen multipliziert oder moduliert das beabsichtigte Signal
- Quantisierungsfehler aufgrund der Umwandlung von kontinuierlichen in diskrete Werte
- Poisson-Rauschen , typisch für Signale, die die Rate diskreter Ereignisse darstellen.
- Schrotrauschen , z. B. verursacht durch statische Entladungen
- Transientes Rauschen , ein kurzer Impuls, gefolgt von abklingenden Schwingungen
- Impulsartiges Geräusch , kraftvoll, aber nur in kurzen Abständen.
- Phasenrauschen , zufällige Zeitverschiebungen in einem Signal
Rauschen in bestimmten Arten von Signalen
Rauschen kann in Signalen auftreten, die für verschiedene wissenschaftliche und technische Bereiche von Interesse sind und oft spezifische Merkmale aufweisen:
- Rauschen (Audio) , wie zum Beispiel „Zischen“ oder „Brummen“, in Audiosignalen
- Hintergrundrauschen , verursacht durch Störgeräusche während der Signalerfassung
- Komfortgeräusche , die der Sprachkommunikation hinzugefügt werden, um Stillepausen zu füllen.
- Elektromagnetisch induziertes Rauschen , hörbare Geräusche aufgrund elektromagnetischer Schwingungen in Systemen mit elektromagnetischen Feldern
- Geräusche (Video) , wie zum Beispiel „Schnee“
- Störungen (Radio) , wie zum Beispiel „Rauschen“ bei Funkübertragungen
- Bildrauschen beeinträchtigt Bilder, in der Regel digitale Bilder
- Salz-und-Pfeffer-Rauschen oder Spitzenrauschen, verstreute sehr dunkle oder sehr helle Pixel
- Festes Rauschmuster , das an Pixelsensoren gebunden ist
- Schattenrauschen , das durch Erhöhung der Helligkeit oder des Kontrasts sichtbar wird.
- Speckle-Rauschen , typisch für Radarbilder und Interferogramme
- Filmkorn in der analogen Fotografie
- Kompressionsartefakte oder „Moskitorauschen“ an Kanten in JPEG und anderen Formaten
- Rauschen (Elektronik) in elektrischen Signalen
- Johnson-Nyquist-Rauschen in Halbleitern
- Quantenrauschen
- Quanten-1/f-Rauschen , eine umstrittene Theorie über Quantensysteme
- Generations-Rekombinationsrauschen in Halbleiterbauelementen
- Oszillatorphasenrauschen , zufällige Schwankungen der Phase eines Oszillators
- Barkhausen-Effekt oder Barkhausen-Rauschen, in der Stärke eines Ferromagneten
- Spektrales Rauschen oder Schaltgeräusche, verursacht durch das Ein- und Ausschalten des Senders
- Grundrauschen , das am Erdungsanschluss von Audiogeräten auftritt
- Synaptisches Rauschen , beobachtet in der Neurowissenschaft
- Neuronales Rauschen , beobachtet in den Neurowissenschaften
- Transkriptionsrauschen bei der Transkription von Genen zu Proteinen
- Kosmisches Rauschen in der Radioastronomie
- Phononenrauschen in der Materialwissenschaft
- Internet-Hintergrundrauschen , Pakete, die an nicht zugewiesene oder inaktive IP-Adressen gesendet werden
- Fano-Rauschen in Teilchendetektoren
- Modentrennungsrauschen in optischen Kabeln
- Seismisches Rauschen , fälschliche Bodenerschütterungen in der Seismologie
- Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung , Mikrowellenrauschen, das vom Urknall übrig geblieben ist
Rauschmaße in Signalen
Zur Messung von Rauschen in der Signalverarbeitung wurde eine lange Liste von Rauschmaßen definiert: absolut, relativ zu einem Standardrauschpegel oder relativ zum gewünschten Signalpegel. Dazu gehören:
- Dynamikbereich , oft definiert durch das inhärente Rauschniveau
- Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Verhältnis der Rauschleistung zur Signalleistung
- Maximales Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) in einem System
- Signal-Rausch-Verhältnis (Bildgebung) für Bilder
- Träger-Rausch-Verhältnis , das Signal-Rausch-Verhältnis eines modulierten Signals
- Rauschleistung
- Rauschzahl
- Rauschäquivalente Flussdichte , ein Maß für Rauschen in der Astronomie
- Rauschpegel
- Rauschabstand , um wie viel ein Signal den Rauschpegel übersteigt
- Referenzrauschen , ein Referenzpegel für elektronisches Rauschen
- Rauschspektraldichte , Rauschleistung pro Bandbreiteneinheit
- Geräuschtemperatur
- Effektive Eingangsrauschtemperatur
- Rauschäquivalente Leistung , ein Maß für die Empfindlichkeit von Fotodetektoren
- Relatives Intensitätsrauschen in einem Laserstrahl
- Antennenrauschtemperatur , ein Maß für das Rauschen in Telekommunikationsantennen
- Empfangene Rauschleistung , Rauschen an einem Telekommunikationsempfänger
- Rauschpegel im Schaltkreis , Verhältnis des Rauschens im Schaltkreis zu einem Referenzpegel
- Kanalrauschpegel , ein Maß für das Rauschen in einem Kommunikationskanal
- Rauschäquivalentes Ziel, Intensität eines Ziels bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von 1 [ 2 ]
- Äquivalenter Rauschwiderstand , ein Maß für Rauschen basierend auf einem äquivalenten Widerstand
- Rauschdichte zwischen Träger und Empfänger , Verhältnis der empfangenen Trägerleistung zum Empfängerrauschen
- Träger-Rauschdichte- Verhältnis
- Spektrales Signal-Rausch-Verhältnis
- Antennengewinn-Rausch-Verhältnis , ein Maß für die Antennenleistung
- Kontrast-Rausch-Verhältnis , ein Maß für die Bildqualität
- Rauschabdruck , statistische Signatur des Umgebungsgeräusches zur Unterdrückung
- Äquivalentes Pulscodemodulationsrauschen , ein Maß für das Rauschen durch Vergleich mit dem PCM-Quantisierungsrauschen.
Technologie zur Rauschunterdrückung in Signalen
Nahezu jede Technik und jedes Gerät zur Signalverarbeitung steht in irgendeiner Verbindung zu Rauschen. Einige Beispiele hierfür sind:
- Rauschformung
- Antennenanalysator oder Rauschbrücke, der zur Messung des Wirkungsgrades von Antennen verwendet wird
- Noise Gate
- Rauschgenerator , eine Schaltung, die ein zufälliges elektrisches Signal erzeugt
- Funkrauschquelle zur Kalibrierung von Radioteleskopen
- Friis-Formeln für Rauschen in der Telekommunikation
- Die Rauschbereichsreflektometrie nutzt vorhandene Signale, um Kabelfehler zu finden.
- Rauschimmune, kavitätsverstärkte optische Heterodyn-Molekülspektroskopie
Siehe auch
- Rauschen (Elektronik)
- Signal-Rausch-Verhältnis , eine mathematische Formel zur Messung der Differenz zweier Werte relativ zu ihren Standardabweichungen.
Referenzen
- ^ Vyacheslav Tuzlukov (2010), Signalverarbeitungsrauschen , Reihe Elektrotechnik und Angewandte Signalverarbeitung, CRC Press. 688 Seiten. ISBN 9781420041118
- ^ Viviana Vladutescu, Daniela. „Systems Engineering for Space Based Applications“ (PDF) . www.ieee.li. CAS IEEE Long Island Section . Abgerufen am 26. März 2023 .
