Белый шум в черном ящике
Нам в жизни редко приходится сталкиваться с самим броуновским движением, так сказать, в чистом виде. Значительно чаще тепловые шумы вторгаются в нашу жизнь в виде помех при радиоприеме. Настройте ваш радиоприемник на какую-нибудь далекую и не очень мощную станцию. Почти наверняка вместе с передаваемой информацией вы услышите еще и шипение, похожее на шипение примуса.Если при этом отключить антенну, то будет слышно только шипение. Это собственный шум вашего приемника. (Особенно хорошо он слышен и виден в телевизоре при прекращении передачи.)Электронный шум (будем называть его так) образуется в результате беспорядочного движения электронов в схеме. Ведь свободные электроны в металле образуют нечто вроде газа (его в классической физике так и называют электронным газом). Электроны этого газа двигаются беспорядочно, сталкиваясь друг с другом.
В результате хаотического движения возникают их случайные скопления, где плотность электронов возрастает, и разрежения. Это приводит к крошечным локальным изменениям электрического поля, что вызывает разность потенциалов и ничтожные толчки электрического тока (ведь электрический ток порождается разностью потенциалов).
Так из хаотического движения электронов возникает электрический ток. Он очень мал, порядка микровольт (10-6 вольта), все время меняет направление и имеет ярко выраженный случайный характер. Всякий сигнал можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний разной частоты. Так вот, тепловой электронный шум содержит колебания всех частот. Процесс, обладающий таким свойством, называют белым шумом (по аналогии с белым цветом, содержащим все цвета). гДело здесь в том, что хаотическое движение электронов приводит к случайному увеличению их плотности в какой-то одной области и уменьшению в другой.
Читайте так же
Очевидно, что мелкие флуктуации плотности бывают чаще, чем большие. Они дают малые всплески электрического тока, а крупные большие. Энергия колебаний тем больше, чем больше их амплитуда и частота. В результате энергия колебаний оказывается одинаковой на всех частотах. Это и есть основное свойство белого шума! Итак, тепловой шум является белым шумом. И именно поэтому от него трудно избавиться. Действительно, легко отфильтровать помехи с известными частотными свойствами. А если эти частоты все, то надо их все и фильтровать! В том числе отфильтруется и полезный сигнал. Как видно, выделяя полезный сигнал, мы всегда выделим его с кусочком белого шума. Эта неистребимость белого шума сделала его печально-знаменитым явлением нашего мира.
Так как тепловой шум порождается в любом проводнике и полупроводнике, то любое электронное устройство шумит. Именно этот шум в телевизоре мы слышим как шипение динамика и видим в виде поземки на экране, когда передачи нет.
Более того, эффективность, качество, классность электронного устройства характеризуются уровнем тепловых шумов. Хорошее устройство шумит мало, но все равно шумит. Величина теплового шума зависит от скорости движения электронов, которая определяется температурой прибора. Здесь есть железная связь, свойственная броуновскому движению: чем больше температура, тем выше уровень тепловых шумов. Это и позволило шумы измерять... градусами температуры по абсолютной шкале Кельвина. При абсолютном нуле шумов нет. Жаль, что суровая действительность запрещает возможность получить такую температуру.
Этот запрет столь почетен, что его иногда называют третьим началом термодинамики, вслед за первым о невозможности получения энергии из ничего, и вторым о невозможности ее преобразования без потери тепла. Поэтому, чтобы практически понизить этот шум, надо сильно охладить схему, что часто и делается путем ее погружения в жидкий гелий, температура которого равна 4К (абсолютной шкалы). Электрические шумы при этом снижаются почти в 100 раз по сравнению с шумом при нормальной температуре. Как видно, белый шум в черном ящике электронного устройства, который до сих пор нас волнует, является родным братом броуновского движения, открытого ботаником Р. Брауном в первой трети прошлого века.