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Grundlagen des Rauschen

Rauschen, kurz und knapp

Hier bei handelt es prinzipiell um unerwünschte Effekte in nicht-idealen Bauelementen, welche zufällige Potentialdifferenzen an deren Enden erzeugen. Dies beschränkt das minimal erfassbare/messbare/übertragbare Signal. Geht das Nutzsignal im Rauschsignal unter, kann man das Nutzsignal nicht mehr bestimmen. Dann gilt auf jeden Fall: "Wer misst misst Mist." bzw. misst Rauschen. Dieses Verhältnis zwischen Nutzsignal und Rauschsignal wird als Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) bezeichnet.
Bei Anwendungen wie Mikrophonverstärkern, Audioverstärkern und eigentlich alle weiteren Signalübertragungsanwendungen ist der SNR ein Maßstab für die Übertragungsqualität. Die Größe, bzw. Intensität des Rauschen ist also erstmal ein "Qualitätsmerkmal". Je geringer die Rauschintensität bzw. je größer das SNR, umso besser.

Arten des Rauschen

  • Thermisches Rauschen
  • 1/f-Rauschen
  • Kosmisches Rauschen
  • viele weitere...

Dazu gibt es natürlich den obligatorischen Wikipedia-Link: Rauschen (Physik)
Ausführlicher wird es in dieser 11 seitigen Lektüre zum Rauschen:
Nachrichten- und Informationstechnik im Klartext

Thermisches Rauschen


Daraus folgt die Rauschintensität:

Umgang mit Rauschen

In der 11 seitigen Leseprobe wird das Rauschen wie üblich in der Hochfrequenztechnik als Leistung gehandhabt. Die Rauschleistung wird bevorzugt in Leistung pro Hertz angegeben. Damit ist die Rauschleistung/Hertz zwischen HF-Systemen unterschiedlicher Bandbreite übertragbar/einheitlich. Wird das Rauschen mit der Bandbreite des HF-Systems multipliziert ergibt sich die effektive Rauschleistung für dieses System. Diese Leistungsangabe ist möglich da es sich in der Hochfrequenztechnik um ein standardisiertes 50Ω-System handelt. D.h. alle Ein- und Ausgänge haben von Außen betrachtet, einen 50Ω Widerstand gegen Masse. Mit dieser standardisierten Bezugsimpedanz kann einfach mit der Leistung gerechnet werden. Vorzugsweise in logarithmischer Form von dBm (Leistungspegel). Mit dieser standardisierten Impedanz-Geschichte wird auch noch eine Leistungsanpassung geschaffen. D.h. es wird die maximale Leistung vom "Sender" an den "Empfänger" übertragen. Zusätzlich ist die Leistungsanpassung auch die ideale Signalübertragungsweise im Bezug auf den Einfluss des thermischen Rauschen.

Als ergänzende Anmerkung zu folgendem "Märchen" von sengpielaudio.com. Dies gilt nur wenn das thermische Rauschen vernachlässigt werden kann. Das thermische Rauschen wird durch die Leistungsanpassung minimiert.

Anders sieht es bei niederfrequenten analogen Schaltungen aus. Dort gibt es keine standardisierte Ein- oder Ausgangsimpedanz. Je nach Sensor, Antenne oder anderer Signalquelle können die Impedanzverhältnisse ganz unterschiedlich aussehen. Deshalb wird hier das Rauschen nicht in dBm/Hz angegeben sondern als Rauschintensität in der Einheit nV/√Hz. Eigentlich exakt die selbe Angabe wie in der HF-Technik, bloß impedanzunabhängig als Spannung. Umrechnung mit P=U²/R nur mit 50Ω Bezugsimpedanz empfohlen, da standardisiert. Das Eigenrauschen von Operatonsverstärkern ist üblicherweise in nV/√Hz angegeben.
Während in der HF-Technik die Rauschleistungen einfach addiert werden kann, muss hier der Pythagoras angewendet werden. Kurz: e₃=√(e₁²+e₂²) mit der Rauschintensität e in nV/√Hz.

Weiterführende Lektüre

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