Stromrauschen: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 26. Juli 2020, 17:06 Uhr

Das Stromrauschen ist ein Rauschen, das beim Fließen des elektrischen Stroms entsteht. Es wirkt wie eine Störung auf das Nutzsignal und verschlechtert damit die Qualität des Signals. Anders gesagt: Der Signal-Rauschabstand (englisch signal-to-noise ratio, SNR oder S/N) wird verringert.

Der Begriff Stromrauschen wird zumeist sehr allgemein verwendet, er fasst damit als Sammelbegriff eine Vielzahl von Effekten zusammen, die beim Fließen des elektrischen Stroms ein Rauschen verursachen können. Seltener wird der Begriff mit einer einzelnen Ursache, dem Schrotrauschen, gleichgesetzt.^[1]^[2]

Rauschen beim Stromfluss

Die meisten der hier aufgeführten Rauschquellen sind auch beispielhaft anhand der Elektronenröhre in dem Wikipedia-Artikel zur Elektronenröhre erklärt.

Stromverteilungsrauschen: Durch die verschiedenen Geschwindigkeiten der einzelnen Ladungsträger entsteht ein Rauschen. Dieser Effekt tritt unter anderem bei der Elektronenröhre auf.
Funkelrauschen: ist eine Form des Rauschens, die erstmals bei der Emission von Elektronen aus Glühkathoden beobachtet wurde. Erklärt wird das Funkelrauschen durch Vorgänge an der Oberfläche der Kathode infolge von Diffusion und Umladung von Fremdatomen. Das dabei teilweise sichtbare „Funkeln“ (englisch: flicker) gab dieser Art des Rauschens den Namen.
Schrotrauschen: (auch Schottky-Rauschen oder einfach Stromrauschen) Das Schrotrauschen tritt immer dann auf, wenn ein elektrischer Strom eine Potentialbarriere überwinden muss. Jeder einzelne Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) der am Gesamtstromfluss beteiligt ist, muss für sich diese Barriere überqueren. Dies geschieht nicht gleichmäßig, sondern ist ein statistischer Prozess. In der Summe sind auch auf makroskopischer Ebene gewisse Schwankungen des Stromflusses zu beobachten, die das Rauschen verursachen.
Influenzrauschen: Bei der Elektronenröhre kommt es vor allem bei Frequenzen oberhalb von 100 MHz zu Influenzvorgängen, die die Ursache für dieses Rauschen sind.
Wärmerauschen: (auch: thermisches Rauschen, Widerstandsrauschen, Nyquist-Rauschen, Johnson-Rauschen oder Johnson-Nyquist-Rauschen) ist ein weitgehend weißes Rauschen, das aus der thermischen Bewegung der Ladungsträger in elektrischen Schaltkreisen hervorgeht. Wärmerauschen äußert sich bei unbelasteten ohmschen Widerständen als thermisches Widerstandsrauschen, oft einfach Widerstandsrauschen genannt. Die thermische Bewegung der Leitungselektronen erzeugt an den Klemmen des Zweipols den Rauschstrom und die Rauschspannung.
Popkornrauschen: oder auch Burstrauschen. Die Ursache für dieses Rauschen sind metallische Verunreinigungen im Halbleiter. Diese können sprunghafte Veränderungen der Gleichstromparameter zur Folge haben und damit niederfrequente Impulse auslösen.^[1]
Generations-Rekombinations-Rauschen: In Halbleitern (n- und p-leitenden Siliziumeinkristalle) kann das auftretende Stromrauschen als Generations-Rekombinationsrauschen gedeutet werden.^[3]^[4] Dieses Rauschen tritt unterhalb der charakteristischen Frequenz $f_{\text{c}}={\tfrac {1}{\tau }}$ als Weißes Rauschen und oberhalb als 1/f²-Rauschen auf. Dabei ist $\tau$ die Relaxationszeit des Systems.^[2]

Rauschen bei der Verarbeitung, Übertragung und Umwandlung von Signalen

Auch bei der Verarbeitung, Umformung oder Umwandlung elektrischer Signale gibt es verschiedene Rauschquellen. Diese werden üblicherweise nicht als Stromrauschen bezeichnet, sollen hier aber dennoch zur Übersicht genannt werden:

Quantisierungsrauschen: Bei der Digitalisierung eines analogen Signals durch einen Analog-Digital-Umsetzer entsteht ein Quantisierungsrauschen. Die Quantisierung in eine endliche Anzahl von Quantierungsstufen, die praktisch immer in Bits vorgenommen wird, hat eine reduzierte Auflösung und Quantisierungsfehler zur Folge. Diese Fehler wirken wie ein Rauschen auf das Signal und werden daher Quantisierungsrauschen genannt. Bei einem idealen Analog-Digital-Umsetzer ist ein Rauschabstand von etwa 6 dB pro Bit möglich.
Bandrauschen: entsteht bei der Magnetbandaufzeichnung von Audio- und Videosignalen.
Antennenrauschen: entsteht durch alle Arten ungewünschter elektromagnetischer Strahlung im Übertragungsband, wie Zünd- und Schaltfunken und Gewitter.
Komfortrauschen: (englisch comfort noise) ist ein im Rahmen der digitalen Signalverarbeitung künstlich erzeugtes Rauschen, welches bei der digitalen Übertragung von menschlicher Sprache zur Füllung von Sprachpausen verwendet wird.

Literatur

Horst Schwetlick: PC-Meßtechnik. Grundlagen und Anwendungen der rechnergestützten Meßtechnik (Viewegs Fachbücher der Technik). Vieweg Verlag, Braunschweig u. a. 1997, ISBN 3-528-04948-4, 5. Kapitel (PDF)
Manfred Seifart: Analoge Schaltungen. 6., durchgesehene Auflage. Verlag Technik, Berlin 2003, ISBN 3-341-01298-2.
Martin Werner: Nachrichten-Übertragungstechnik. Analoge und digitale Verfahren mit modernen Anwendungen (Studium Technik). Vieweg, Wiesbaden 2006, ISBN 3-528-04126-9, insbesondere das Kapitel Rauschen in Kommunikationssystemen, Auszug des Textes.

Einzelnachweise

↑ ^1,0 ^1,1 Horst Schwetlick: PC-Meßtechnik – Grundlagen und Anwendungen der rechnergestützten Meßtechnik. 1997, Kapitel 5, siehe Literatur
↑ ^2,0 ^2,1 Rudolf Müller: Rauschen (= Halbleiter-Elektronik. Band 15). 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Springer, Berlin u. a. 1989, ISBN 3-540-51145-8 (Kapitel 4. und 5).
↑ E. Grobe, K. Seiler: Stromrauschen in Silizium. In: Annalen der Physik. Band 466, Nr. 1, S. 75–82, bibcode:1963AnP...466...75G.
↑ Willy Baumgartner, Hans Ulrich Thoma: Zum Stromrauschen von Halbleitern. In: Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Physik (ZAMP). Band 6, Nr. 1, Januar 1955, ISSN 0044-2275, S. 66–68, doi:10.1007/BF01600735.

ar:ضجيج (إلكترونيات) ca:Soroll (comunicació) cs:Šum en:Noise (electronics) es:Ruido (comunicación) fr:Bruit (électronique) he:רעש (פיזיקה) it:Rumore (elettronica) ja:ノイズ (電子工学) zh:雜訊

[HorstSchwetlick-1] 1,0 ^1,1 Horst Schwetlick: PC-Meßtechnik – Grundlagen und Anwendungen der rechnergestützten Meßtechnik. 1997, Kapitel 5, siehe Literatur

[RMueller-2] 2,0 ^2,1 Rudolf Müller: Rauschen (= Halbleiter-Elektronik. Band 15). 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Springer, Berlin u. a. 1989, ISBN 3-540-51145-8 (Kapitel 4. und 5).

[3] E. Grobe, K. Seiler: Stromrauschen in Silizium. In: Annalen der Physik. Band 466, Nr. 1, S. 75–82, bibcode:1963AnP...466...75G.

[4] Willy Baumgartner, Hans Ulrich Thoma: Zum Stromrauschen von Halbleitern. In: Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Physik (ZAMP). Band 6, Nr. 1, Januar 1955, ISSN 0044-2275, S. 66–68, doi:10.1007/BF01600735.

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-Das '''Stromrauschen''' ist ein [[Rauschen (Physik)|Rauschen]], das beim Fließen des [[Elektrischer Strom|elektrischen Stroms]] entsteht. Es wirkt wie eine Störung auf das [[Nutzsignal]] und verschlechtert damit die Qualität des Signals. Anders gesagt: Der [[Signal-Rausch-Verhältnis|Signal-Rauschabstand]] (im Englischen: signal-to-noise ratio, SNR oder S/N) wird verringert.
+Das '''Stromrauschen''' ist ein [[Rauschen (Physik)|Rauschen]], das beim Fließen des [[Elektrischer Strom|elektrischen Stroms]] entsteht. Es wirkt wie eine Störung auf das [[Nutzsignal]] und verschlechtert damit die Qualität des Signals. Anders gesagt: Der [[Signal-Rausch-Verhältnis|Signal-Rauschabstand]] ({{enS|signal-to-noise ratio}}, SNR oder S/N) wird verringert.
-Der Begriff ''Stromrauschen'' wird zumeist sehr allgemein verwendet, er fasst damit als Sammelbegriff eine Vielzahl von Effekten zusammen, die beim Fließen des elektrischen Stroms ein Rauschen verursachen können. Seltener wird der Begriff mit einer einzelnen Ursache, dem ''Schrotrauschen'', gleichgesetzt. <ref name="HorstSchwetlick">Horst Schwetlick: ''PC-Meßtechnik - Grundlagen und Anwendungen der rechnergestützten Meßtechnik.'' 1997, Kapitel 5, siehe Literatur</ref><ref name="RMueller">{{Literatur |Autor = Rudolf Müller | Titel = Rauschen |Reihe =Halbleiter-Elektronik |Band = Bd. 15| Verlag = Springer |Ort = Berlin u. a.| Auflage = 2., überarbeitete und erweiterte | Jahr = 1989 | ISBN = 3-540-51145-8 | Kommentar = Kapitel 4. und 5}}</ref>
+Der Begriff ''Stromrauschen'' wird zumeist sehr allgemein verwendet, er fasst damit als Sammelbegriff eine Vielzahl von Effekten zusammen, die beim Fließen des elektrischen Stroms ein Rauschen verursachen können. Seltener wird der Begriff mit einer einzelnen Ursache, dem ''Schrotrauschen'', gleichgesetzt.<ref name="HorstSchwetlick">Horst Schwetlick: ''PC-Meßtechnik – Grundlagen und Anwendungen der rechnergestützten Meßtechnik.'' 1997, Kapitel 5, siehe Literatur</ref><ref name="RMueller">{{Literatur |Autor=Rudolf Müller |Titel=Rauschen |Reihe=Halbleiter-Elektronik |BandReihe=15 |Auflage=2., überarbeitete und erweiterte |Verlag=Springer |Ort=Berlin u.&nbsp;a. |Datum=1989 |ISBN=3-540-51145-8 |Kommentar=Kapitel 4. und 5}}</ref>
 == Rauschen beim Stromfluss ==
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 ; Stromverteilungsrauschen
 : Durch die verschiedenen Geschwindigkeiten der einzelnen [[Ladungsträger (Physik)|Ladungsträger]] entsteht ein Rauschen. Dieser Effekt tritt unter anderem bei der [[Elektronenröhre]] auf.
 ; [[Funkelrauschen]]
-: ist eine Form des Rauschens, die erstmals bei der Emission von Elektronen aus [[Glühkathode]]n beobachtet wurde. Erklärt wird das Funkelrauschen durch Vorgänge an der Oberfläche der Kathode infolge von Diffusion und Umladung von Fremdatomen. Das dabei teilweise sichtbare "Funkeln" (englisch: ''flicker'') gab dieser Art des Rauschens den Namen.
+: ist eine Form des Rauschens, die erstmals bei der Emission von Elektronen aus [[Glühkathode]]n beobachtet wurde. Erklärt wird das Funkelrauschen durch Vorgänge an der Oberfläche der Kathode infolge von Diffusion und Umladung von Fremdatomen. Das dabei teilweise sichtbare „Funkeln“ (englisch: ''flicker'') gab dieser Art des Rauschens den Namen.
 ; [[Schrotrauschen]]
-: (auch Schottky-Rauschen oder einfach Stromrauschen)  Das Schrotrauschen tritt immer dann auf, wenn ein [[elektrischer Strom]] eine [[Elektrostatik#Potential_und_Spannung|Potential]]barriere überwinden muss. Jeder einzelne Ladungsträger ([[Elektron|Elektronen]] oder [[Defektelektron|Löcher]]) der am Gesamtstromfluss beteiligt ist, muss für sich diese Barriere überqueren. Dies geschieht nicht gleichmäßig, sondern ist ein [[Stochastik|statistischer]] Prozess. In der Summe sind auch auf makroskopischer Ebene gewisse Schwankungen des Stromflusses zu beobachten, die das Rauschen verursachen.
+: (auch Schottky-Rauschen oder einfach Stromrauschen) Das Schrotrauschen tritt immer dann auf, wenn ein [[elektrischer Strom]] eine [[Elektrostatik#Potential und Spannung|Potentialbarriere]] überwinden muss. Jeder einzelne Ladungsträger ([[Elektron|Elektronen]] oder [[Defektelektron|Löcher]]) der am Gesamtstromfluss beteiligt ist, muss für sich diese Barriere überqueren. Dies geschieht nicht gleichmäßig, sondern ist ein [[Stochastik|statistischer]] Prozess. In der Summe sind auch auf makroskopischer Ebene gewisse Schwankungen des Stromflusses zu beobachten, die das Rauschen verursachen.
 ;  Influenzrauschen
 : Bei der [[Elektronenröhre]] kommt es vor allem bei Frequenzen oberhalb von 100&nbsp;MHz zu [[Influenz]]vorgängen, die die Ursache für dieses Rauschen sind.
 ; [[Wärmerauschen]]
-: (auch: thermisches Rauschen, Widerstandsrauschen, Nyquist-Rauschen, Johnson-Rauschen oder Johnson-Nyquist-Rauschen) ist ein weitgehend [[weißes Rauschen]], das aus der thermischen Bewegung der Ladungsträger in elektrischen [[Schaltkreis]]en hervorgeht. Wärmerauschen äußert sich bei unbelasteten [[Elektrischer Widerstand|ohmschen Widerständen]] als ''thermisches Widerstandsrauschen'', oft einfach ''Widerstandsrauschen'' genannt. Die thermische Bewegung der Leitungselektronen erzeugt an den Klemmen des [[Zweipol]]s den Rauschstrom und die Rauschspannung.
+: (auch: thermisches Rauschen, Widerstandsrauschen, Nyquist-Rauschen, Johnson-Rauschen oder Johnson-Nyquist-Rauschen) ist ein weitgehend [[Weißes Rauschen (Physik)|weißes Rauschen]], das aus der thermischen Bewegung der Ladungsträger in elektrischen [[Schaltkreis]]en hervorgeht. Wärmerauschen äußert sich bei unbelasteten [[Elektrischer Widerstand|ohmschen Widerständen]] als ''thermisches Widerstandsrauschen'', oft einfach ''Widerstandsrauschen'' genannt. Die thermische Bewegung der Leitungselektronen erzeugt an den Klemmen des [[Zweipol]]s den Rauschstrom und die Rauschspannung.
 ; Popkornrauschen
 : oder auch Burstrauschen. Die Ursache für dieses Rauschen sind metallische Verunreinigungen im Halbleiter. Diese können sprunghafte Veränderungen der Gleichstromparameter zur Folge haben und damit niederfrequente Impulse auslösen.<ref name="HorstSchwetlick" />
 ; Generations-Rekombinations-Rauschen
-: In [[Halbleiter]]n (n- und p-leitenden Siliziumeinkristalle) kann das auftretende Stromrauschen als Generations-Rekombinationsrauschen gedeutet werden. <ref>E. Grobe, K. Seiler: ''Stromrauschen in Silizium.'' In: ''[[Annalen der Physik]].'' Bd. 466, Nr. 1, S. 75–82, {{bibcode|1963AnP...466...75G}}.</ref><ref>Willy Baumgartner, Hans Ulrich Thoma: ''Zum Stromrauschen von Halbleitern.'' In: ''Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Physik (ZAMP).'' Bd. 6, Nr. 1, Januar 1955, {{ISSN|0044-2275}}, S. 66–68, [http://www.springerlink.com/content/w72j420020317777/ Artikeltext online].</ref> Dieses Rauschen tritt unterhalb der charakteristischen Frequenz <math>f_\text{c} = \tfrac{1}{\tau}</math>  als [[Weißes_Rauschen]] und oberhalb als [[1/f²-Rauschen]] auf. Dabei ist <math>\tau</math> die [[Relaxationszeit]] des Systems. <ref name="RMueller" />
+: In [[Halbleiter]]n (n- und p-leitenden Siliziumeinkristalle) kann das auftretende Stromrauschen als Generations-Rekombinationsrauschen gedeutet werden.<ref>E. Grobe, K. Seiler: ''Stromrauschen in Silizium.'' In: ''[[Annalen der Physik]].'' Band 466, Nr. 1, S. 75–82, {{bibcode|1963AnP...466...75G}}.</ref><ref>Willy Baumgartner, Hans Ulrich Thoma: ''Zum Stromrauschen von Halbleitern.'' In: ''Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Physik (ZAMP).'' Band 6, Nr. 1, Januar 1955, {{ISSN|0044-2275}}, S. 66–68, [[doi:10.1007/BF01600735]].</ref> Dieses Rauschen tritt unterhalb der charakteristischen Frequenz <math>f_\text{c} = \tfrac{1}{\tau}</math>  als [[Weißes Rauschen (Physik)|Weißes Rauschen]] und oberhalb als [[1/f²-Rauschen]] auf. Dabei ist <math>\tau</math> die [[Relaxationszeit]] des Systems.<ref name="RMueller" />
 == Rauschen bei der Verarbeitung, Übertragung und Umwandlung von Signalen ==
 Auch bei der Verarbeitung, Umformung oder Umwandlung elektrischer Signale gibt es verschiedene Rauschquellen. Diese werden üblicherweise nicht als ''Stromrauschen'' bezeichnet, sollen hier aber dennoch zur Übersicht genannt werden:
 ; [[Quantisierungsrauschen]]
-: Bei der [[Digitalisierung]] eines [[Analogsignal|analogen Signals]] durch einen [[Analog-Digital-Umsetzer]] entsteht ein Quantisierungsrauschen. Die Quantisierung in eine endliche Anzahl von [[Quantierungsstufe]]n, die praktisch immer in [[Bit]]s vorgenommen wird, hat eine reduzierte [[Auflösung (Digitaltechnik)|Auflösung]] und [[Quantisierungsfehler]] zur Folge. Diese Fehler wirken wie ein Rauschen auf das Signal und werden daher ''Quantisierungsrauschen'' genannt.  Bei einem idealen Analog-Digital-Umsetzer ist ein [[Rauschabstand]] von etwa 6&nbsp;dB pro [[Bit]] möglich.
+: Bei der [[Digitalisierung]] eines [[Analogsignal|analogen Signals]] durch einen [[Analog-Digital-Umsetzer]] entsteht ein Quantisierungsrauschen. Die Quantisierung in eine endliche Anzahl von [[Quantierungsstufe]]n, die praktisch immer in [[Bit]]s vorgenommen wird, hat eine reduzierte [[Auflösung (Digitaltechnik)|Auflösung]] und [[Quantisierungsfehler]] zur Folge. Diese Fehler wirken wie ein Rauschen auf das Signal und werden daher ''Quantisierungsrauschen'' genannt. Bei einem idealen Analog-Digital-Umsetzer ist ein [[Rauschabstand]] von etwa 6&nbsp;dB pro Bit möglich.
 ; Bandrauschen
 : entsteht bei der Magnetbandaufzeichnung von Audio- und Videosignalen.
 ; Antennenrauschen
 : entsteht durch alle Arten ungewünschter elektromagnetischer Strahlung im Übertragungsband, wie Zünd- und Schaltfunken und Gewitter.
+; [[Komfortrauschen]]
-; [[Komfortrauschen]]
+: ({{enS|comfort noise}}) ist ein im Rahmen der [[Digitale Signalverarbeitung|digitalen Signalverarbeitung]] künstlich erzeugtes [[Rauschen (Physik)|Rauschen]], welches bei der digitalen Übertragung von menschlicher Sprache zur Füllung von Sprachpausen verwendet wird.
-: ([[Englische Sprache|engl.]] ''comfort noise'') ist ein im Rahmen der [[Digitale Signalverarbeitung|digitalen Signalverarbeitung]] künstlich erzeugtes [[Rauschen (Physik)|Rauschen]], welches bei der digitalen Übertragung von menschlicher Sprache zur Füllung von Sprachpausen verwendet wird.
 == Literatur ==
-* Horst Schwetlick: ''PC-Meßtechnik. Grundlagen und Anwendungen der rechnergestützten Meßtechnik'' (''Viewegs Fachbücher der Technik''). Vieweg Verlag, Braunschweig u. a. 1997, {{falsche ISBN|3-528-04948-4}}, [http://funktechnik.fhtw-berlin.de/Schwetlick/Buch/Kapitel%205.pdf PDF des 5. Kapitels].
+* Horst Schwetlick: ''PC-Meßtechnik. Grundlagen und Anwendungen der rechnergestützten Meßtechnik'' (''Viewegs Fachbücher der Technik''). Vieweg Verlag, Braunschweig u.&nbsp;a. 1997, {{falsche ISBN|3-528-04948-4}}, [http://funktechnik.fhtw-berlin.de/Schwetlick/Buch/Kapitel%205.pdf 5. Kapitel] (PDF)
 * Manfred Seifart: ''Analoge Schaltungen.'' 6., durchgesehene Auflage. Verlag Technik, Berlin 2003, ISBN 3-341-01298-2.
-* Martin Werner: ''Nachrichten-Übertragungstechnik. Analoge und digitale Verfahren mit modernen Anwendungen'' (''Studium Technik''). Vieweg, Wiesbaden 2006, ISBN 3-528-04126-9, insbesondere das Kapitel ''„Rauschen in Kommunikationssystemen“'', [http://www.springerlink.com/content/q2654g6014236221/ Auszug des Textes online].
+* Martin Werner: ''Nachrichten-Übertragungstechnik. Analoge und digitale Verfahren mit modernen Anwendungen'' (''Studium Technik''). Vieweg, Wiesbaden 2006, ISBN 3-528-04126-9, insbesondere das Kapitel ''Rauschen in Kommunikationssystemen'', [http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-8348-9127-3_5 Auszug des Textes].
 == Einzelnachweise ==