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Rauschen

Ungeordnete Schwankungsvorgänge, die in der Nachrichtentechnik die Qualität der Signalübermittlung (Nachricht) beeinträchtigen. Die Ursachen können naturgegeben (atmosphärische Strahlungen aller Art) sein oder in elektr. Geräten und Anlagen liegen. Als »weißes Rauschen« werden spezielle Schwankungsvorgänge mit frequenzunabhängigem Leistungsspektrum (Frequenz, Spektrum) bezeichnet, die sich auf dem Fernsehschirm z. B. als »Schnee« bemerkbar machen. In der Elektronik: Bezeichnung für regellose, im Innern von elektronischen Bauelementen auftretende Strom-und Spannungsänderungen, die als Störst gnale die Qualität des Nutzsignals verschlechtern. Obwohl die Strom- und Spannungsänderungen im einzelnen zufallsbedingt sind, ist das R. als eine statische Größe zeitunabhängig und reproduzierbar. Jeder ohmsche Widerstand erzeugt ein mit der Temperatur steigendes R. (als Widerstands- oder Wärme-R. bezeichnet), das als sog. weißes R. bei gegebener Bandbreite von der Frequenz unabhängig ist. Bei tiefen Frequenzen (kleiner als 200 Hz) ist häufig das Funkel-R. vorherrschend, das mit der Frequenz abnimmt (V - R.). Bei monolithischen Operationsverstärkern tritt ein Impuls-R. („Pop-corn"-R.) auf, das von der Qualität des Halbleitermaterials abhängig ist. Das R. ist ein entscheidender Qualitätsparameter, wenn kleine Nutzsignale zu verarbeiten sind (Mikrofonverstärker, Meßwertverstärker). Im Modellbau: schnelles Durchlaufen einer Leine, Kette, Schot o. a. durch einen Block oder eine Klüse auf einem Schiff. AkustikElektronik, Halbleiterphysik, Noise, ganz allgemein das Auftreten von statistischen Schwankungen jeder elektronischen Messgrösse. Das Rauschen begrenzt daher grundsätzlich die Messempfindlichkeit jedes Messsystems. Es hat verschiedene Ursachen: Im thermischen Gleichgewicht erzeugen die statistischen Schwankungen der Ladungsträgerverteilung in einem Leiter das thermische Rauschen. Fliesst in einem System ein Strom, so tritt das Schrotrauschen auf. Weitere Rauschursachen sind das 1 / f-Rauschen und das Generations-Rekombinationsrauschen in Halbleitern.

Im Bereich optischer Frequenzen wird die Detektierbarkeit eines Signales durch das Quantenrauschen begrenzt. Rauschquellen werden oft durch die Angabe eines Rauschwiderstandes oder einer Rauschtemperatur charakterisiert. Das Verhältnis von Signalleistung zu Rauschleistung ist als das Signal-Rausch-Verhältnis definiert. In jedem System wird durch das interne Eigenrauschen ein Rauschen zu dem am Eingang des Systems liegenden Rauschen hinzuaddiert. Am Ausgang des Systems hat sich daher das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert, was durch die Rauschzahl angegeben wird. Mit Ausnahme des 1 / f-Rauschens verteilt sich die Rauschleistung gleichmässig über ein sehr breites Frequenzspektrum. Ein grundsätzliches Verfahren zur Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses besteht in der Einschränkung des Frequenzbereiches des Messsystems durch Filter, ohne dass dadurch das Signal beeinträchtigt wird. Eine wesentlich höhere Rauschbefreiung erreicht man bei periodischen Signalen durch eine Umsetzung des Signales aus seinem Originalfrequenzbereich zu sehr tiefen Frequenzen und einer anschliessenden Tiefpassfilterung (Autokorrelator, Lock-in, Boxcar-Integrator).

Rauschen bildet einen nicht vermeidbaren Teil des Störsignals bei einer Signalübertragung. In analogen Übertragungssystemen muss die Leistung des Nutzsignals mindestens doppelt so gross wie die des Rauschens sein, damit es von diesem unterschieden werden kann. In digitalen Übertragungssystemen erzeugt die Unsicherheit des niedrigstwertigen Bits (LSB) bei der Digital-Analogwandlung das Digitalisierungsrauschen, mit dem ebenfalls die Übertragbarkeit für kleine Signale begrenzt wird.

 

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