Hintergrundgeräusche

Bei der Signalverarbeitung bezeichnen wir Hintergrundgeräusche als unerwünschte Komponenten, die den Ausgang eines Geräts beeinflussen, unabhängig vom an seinem Eingang vorhandenen Signal. Das Hintergrundgeräusch zerfällt in Eigengeräusche , die vom Gerät selbst verursacht werden, und in Störungen von außen, die es versehentlich aufnimmt.


Bedeutung und Charakterisierung

Wenn das Signal näher kommt und dann unter den Hintergrundrauschpegel sinkt, nimmt die Menge an Informationen, die es übertragen kann, ab ( Shannon 1948 ), es wird schwieriger zu erkennen und es löst sich in Unsicherheit auf.

Auflösung des Signals im Hintergrundrauschen:

Um die Auflösung des Signals im Hintergrundrauschen zu realisieren, kann das folgende Experiment leicht mit Audacity oder einer anderen Tonbearbeitungssoftware durchgeführt werden:

  1. Laden Sie ein Beispiel für ein Morsecodesignal herunter (z. B. Wikipedia-Morse.ogg ).
  2. Öffnen Sie es in der Bearbeitungssoftware
  3. Erstellen Sie eine zweite Spur und erzeugen Sie rosa Rauschen mit einer Amplitude von 0,5.
  4. Hören Sie sich den Mix an, indem Sie den Pegel der Morsecode-Spur schrittweise verringern. Wenn der Signalpegel viel niedriger als der Rauschpegel (–20  dB ) ist, wird es schwierig zu "lesen".
  5. Verlangsamen Sie den Signalfluss mit dem Vorgang „Tempo ändern“. Die Punkte und Zeilen des Codes werden verlängert, ohne den Ton zu ändern. Wir können das Morse-Signal wieder „lesen“, auch wenn Sie den Pegel ungefähr in dem Verhältnis senken, in dem es wurde verlangsamt.

Spektrale Verteilung des Rauschens

Hintergrundrauschen stört ein Signal umso mehr, wenn es das gleiche Frequenzband belegt.

Einfluss des Rauschspektrums:

Nehmen wir das vorherige Beispiel. Die "Träger" -Frequenz des Morsecodes beträgt 700  Hz

  1. Filtern Sie das Rauschen, indem Sie so viel wie möglich entfernen, was unter 1500  Hz liegt .
  2. Stellen Sie das Rauschen durch Verstärkung so ein, dass seine Spitzen bei einer Amplitude von 0,5 liegen.
  3. Wir können jetzt den Morsecode auf einer viel niedrigeren Ebene weiter "lesen".

Mathematische Modelle

Die Spektralanalyse eines elektrischen Signals führt zu den Konzepten Bandbreite und Durchlassbereich . Das Studium eines Kommunikationskanals wird dann durch sinusförmige Funktionen durchgeführt . Wir können das Signal auch als einen stochastischen Prozess betrachten , dessen Momentanwert unvorhersehbar ist. Dieses mathematische Modell eignet sich besonders für Rauschen, dessen physikalischer Ursprung eine charakteristische Zufallsfunktion bestimmt . Das Definieren von Signal und Rauschen als stochastische Phänomene ermöglicht es, in einer gegebenen Situation die Wahrscheinlichkeit eines Übertragungsfehlers zu bewerten .

Je nach Fachgebiet werden unterschiedliche Geräuschmodelle verwendet:

Rauschfaktor

Wir können ein System in Bestandteile zerlegen und den Beitrag des spezifischen Rauschens jedes einzelnen von ihnen zum Hintergrundrauschen des Systems bewerten.

Die Rauschzahl eines linearen Elements eines Eingangs- und Ausgangssystems ist das Leistungsverhältnis des Rauschens am Ausgang für eine gegebene Frequenz zu dem, das man messen würde, wenn die einzige Rauschquelle thermisches Rauschen am Ausgang wäre die Referenztemperatur. Dieses Verhältnis kann in Dezibel ausgedrückt werden .

Die durchschnittliche Rauschzahl des Elements ist in gleicher Weise das Verhältnis zwischen der effektiven Leistung des Rauschens und der Leistung des thermischen Rauschens für ein Frequenzband.

Dieses Verhältnis ist gleich dem Verhältnis zwischen zwei Signal-Rausch-Verhältnissen, dem am Ausgang und dem am Eingang.

Optimaler Geräuschpegel

Obwohl das Hintergrundrauschen auf hohem Niveau ein Hindernis für die Übertragung des Signals darstellt, kann es aufgrund der Informationen, die es über den Betrieb des Systems liefert, selbst ein Hilfssignal darstellen. In der Telefonie ist beispielsweise „ein kleines Hintergrundgeräusch in der Tat wünschenswert, da es dem Benutzer die Gewissheit gibt, dass seine Ausrüstung nicht tot ist“ .

In vielen Fällen gibt es einen optimalen Geräuschpegel. Bei sehr niedrigen Pegeln begünstigt Rauschen die Linearität.

In einem digitalen Signal ist der optimale Pegel größer als das durch die Auflösung ( Quantisierungsrauschen ) bestimmte Minimum . Wir nennen Dither das freiwillig hinzugefügte Rauschen, um diesen Pegel zu erreichen, für den die Linearität des Systems besser und die Informationsdichte maximal ist.

Geräuschpegelreduzierung

Physikalische Messungen

In einem Messsystem wie einem Seismographen kann das Hintergrundgeräusch den Verkehr in der Nähe einschließen.

Telekommunikation

In der Telekommunikation und Elektronik können Hintergrundgeräusche thermisches Rauschen und alle anderen Störsignale umfassen.

Audio

„Hintergrundgeräusche“ in Audio-, Aufnahme- und Rundfunksystemen beziehen sich auf alle unerwünschten Komponenten, die die Leistung des Systems beeinflussen, einschließlich Umgebungsgeräuschen im Sammelraum, wie Lüftungsgeräusche, Geräusche, die durch Klimaanlagen verursacht werden. Elektromagnetische Störungen (nicht elektromagnetische Verträglichkeit ) Wenn das Vibrationsursprungsrauschen auch das Mikrofonrauschen und das von den Vorrichtungen selbst erzeugte Innenrauschen ist , ist das thermische Rauschen die Hauptkomponente, zu der das Schussrauschen und das Flackergeräusch hinzugefügt werden .

Bei analogen Aufzeichnungen wird das inhärente Rauschen der Medien zu dem der Schaltungen addiert.

In Audiosystemen mit Verstärkung ist es üblich, den auf den Eingang reduzierten Pegel des Eigenrauschens anzugeben , dh geteilt durch die Gesamtverstärkung des Systems.

Lärmminderung

Pre-Betonung Die Rauschunterdrückung umfasst typischerweise eine Vorbetonung  (in) der höchsten Frequenz für den Eingang in einem Übertragungskanal wie FM-Radio oder einem Kassettenrekorder oder einer Disc-Mikrorille und eine Deemphasis für den Ausgang, damit das Signal immer besser platziert ist das systemeigene Rauschen und entsprechend der Empfindlichkeit des Ohrs für die verschiedenen Teile des Schallspektrums zu dominieren (siehe isosonische Kurven ). Die Vorbetonung ist ein linearer Prozess. Die Deemphasis wird verwendet, um das Signal bis zur Leistung des Geräts genau zu rekonstruieren. Dynamische Betonung Um das Hintergrundrauschen weniger wahrnehmbar zu machen, teilen wir das Signal in Frequenzbänder auf und wenden für jedes einzeln eine dynamische nichtlineare Verarbeitung an, sodass für jedes von ihnen der Signalpegel über dem Hintergrundrauschpegel des Mediums liegt. Die umgekehrte Behandlung wird auf die Ausgabe des Mediums angewendet. Das Unternehmen Dolby ist auf Rauschunterdrückungssysteme spezialisiert, die Betonung und Dynamikverarbeitung für magnetische Tonaufnahmen kombinieren. Die Firma Dbx produziert andere Anwendungen nach den gleichen Prinzipien.

Digitaler Ton

Hintergrundrauschen kann auch mit digitalen Signalverarbeitungstechniken künstlich reduziert werden.

Ursprünglich der Konservierung und Restaurierung von Filmen gewidmet , wurden in den 1990er Jahren Hardware- Tools und Plugins entwickelt.

Umweltgesundheit

In der Toxikologie und Ökotoxikologie wird ein Risiko oder die Schwere der Kontamination durch ein toxisches oder radioaktives Element in Bezug auf einen Standard und / oder in Bezug auf „Hintergrundgeräusche“ ( z. B. geochemischer oder pedogeochemischer Hintergrund) bewertet. Da im Anthropozän der Mensch seine Umwelt stark verschmutzt hat, oft in großem Maßstab, neigen wir dazu, "natürliches" Hintergrundgeräusch (ohne menschlichen Einfluss) von anthropogenem Hintergrundgeräusch (das dem vorherigen nach den gegenwärtigen oder vorhandenen menschlichen Aktivitäten hinzugefügt wird) zu unterscheiden Vergangenheit, Bergbau und Industrie zum Beispiel).

Anhänge

Literaturverzeichnis

Zum Thema passende Artikel

Anmerkungen und Referenzen

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  2. Internationale Elektrotechnische Kommission , „Schwingungen, Signale und verwandte Geräte“ , im internationalen elektrotechnischen Vokabular der IEC 60050 ,2017( online lesen ) , p.  702-08-16 "Eigenrauschen".
  3. Claude Bergmann et al. , Industrial BTS: Elektronik und Kommunikation , Dunod,2010, p.  192. Wenn der Wert vorhersehbar wäre, würden die Signale keine Informationen enthalten.
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  7. Fleutry 1991 , p.  564.
  8. "  Obwohl es problematisch sein kann, wenn es signifikante Ausmaße erreicht, ist ein kleines Hintergrundgeräusch in der Tat wünschenswert, da es dem Benutzer ein gewisses Vertrauen gibt, dass seine Ausrüstung nicht tot ist  " - (en) RL Brewster , Telekommunikationstechnologie , Chichester, Großbritannien, Ellis Horwood Ltd,1986, p.  57.
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  11. siehe: * (en) de: Rauschunterdrückung
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