Rauschen N
Grundrauschen, Umgebungsrauschen, Rauschteppich
Der Begriff Rauschen (≙ Grundrauschen, Umgebungsrauschen, Rauschteppich) beschreibt ein breitbandiges Signal mit unspezifischem, zufällig verteiltem Frequenzspektrum.
Der Rauschvorgang kann als eine Überlagerung unzähliger und dicht gedrängter, harmonischer Schwingungen (bzw. Wellen) veranschaulicht werden, die auf unterschiedlichen Frequenzen f (bzw. Wellenlängen λ) in ihren Amplitude y unregelmäßig schwanken und nur statistisch erfassbar, aber nicht im Detail reproduzierbar sind.
Dabei wird die messbare Rauschleistung PN eines Empfängers, also das Rauschen welches kontinuierlich über das komplette Frequenzspektrum vorhanden ist, allgemein als Grundrauschen (Umgebungsrauschen, Noisefloor) bezeichnet. Jedes Nutzsignal muss deutlich aus diesem Rauschteppich herausragen um von einem Empfänger als definiertes Signal herausfilterbar zu sein.
Gelingt das nicht, wird dem Nutzsignal Rauschen hinzugemischt, bis hin zu vollständigen Überlagerung.
Analoge Signale klingen dann verrauscht oder werden vollständig vom weißen Rauschen überdeckt.
Für digitale Signale wird die Datenwiederherstellung durch das Rauschen erschwert, bzw. ist nicht mehr möglich, und es kommt zu Datenlücken, hörbar als Aussetzer.
In der HF-Technik ist Rauschen das Zusammenspiel verschiedener interner und externer Rauschleistungen PN im gesamten Übertragungssystem.
zwischen Sender, Übertragungsweg (Kabel, Atmosphäre) und Empfänger, die einzeln oder in ihrer Summe die Qualität des Nutzsignals beeinträchtigen können.
Internes Rauschen:
Thermisches Rauschen
Elektronisches Rauschen
Externes Rauschen:
Man Made Noise
Kosmisches Rauschen
Atmosphärisches Rauschen
Externe Rauschleistungen PN können von Menschen gemachte Störquellen sein, so z.B. Elektromotoren, Monitore, Leuchtstoffröhren, Wechselrichter, Stromleitungen, schlecht geschirmte Netztteile, andere drahtlose Geräte auf gleichen oder überlappenden Frequenzen, usw.
Das Rauschen kommt in allen elektronischen Schaltungen vor ist als Rauschspannung UR messbar.
Jedes elektrische Signal wird von diesem Strom- und Wärmerauschen überlagert und verschlechtert die Signal-to-Noise-Ratio SNR kleiner Signale, die bei Unterschreitung eines Minimalwertes (je nach Gerät, Größenordnung: 3 dB) nicht mehr herausgefiltert werden können.
Da Frequenz f und Elongation der Amplituden y in einem Rauschteppich nicht vorhersehbar sind, kann der Frequenzbereich eines schwachen Nutzsignals bei Unterschreitung eines minimalen Signal-Rausch-Abstandes nicht mehr getrennt herausgefiltert werden und dem Nutzsignal werden Teile des Rauschens beigemischt, bis hin zu völligen Überlagerung des Nutzsignals.
Auch wenn Rauschen ein stochastisches Ereignis ist, können Rauschteppiche durch eine typische, statistische Verteilung ihrer Frequenzen f mit ihren Amplituden y, z.B. Frequenzspektren mit vergleichbarer Amplitudenelongation (Spannungswerten) unterschieden werden.
Für die mathematische Beschreibung von Rauschen N gibt es unterschiedliche Begriffe, die teils synonym verwendet werden aber unterschiedliche Formeln beinhalten.
Im Folgenden wird versucht das etwas zu entwirren:
Rauschen N
Der Begriff Rauschen (≙ Grundrauschen, Umgebungsrauschen, Rauschteppich) beschreibt ein breitbandiges Signal mit unspezifischem, zufällig verteiltem Frequenzspektrum.
Rauschleistung PN
Die Rauschleistung PN (thermische Rauschleistung, thermisches Rauschen) ist die Leistung P der betrachteten Rauschquelle in linearer Abhängigkeit von Frequenzbandbreite Δf und Temperatur T.
Rauschspannung UR
Die Rauschspannung UR ist die Spannung U des thermischen Rauschens (≙ Wärmerauschen, Widerstandsrauschen, Johnson-Nyquist-Rauschen) in Abhängigkeit von Temperatur T, Frequenzbandbreite Δf und ohmschen Widerstand R.
Rauschfaktor FN
Der Rauschfaktor FN ist das Verhältnis der zugeführten, bzw. bereits vorhandenen Rauscheingangsleistung PS/N(in) zu der ausgehenden Rauschausgangsleistung PS/N(out) des betrachteten Bauteils.
Rauschmaß LFN
Das Rauschmaß LFN (Rauschzahl LFN) ist der logarithmierte Rauschfaktor FN, also das logarithmierte Verhältnis von Rauscheingangsleistung PS/N(in) zur Rauschausgangsleistung PS/N(out).
Rauschleistungspegel LPN
Der Rauschleistungspegel LPN ist das logarithmierte Verhältnis der Rauschleistung PN zum Leistungsbezugswert P0.
Rauschen kann auch anhand der Frequenzcharakteristik unterschieden werden, so z.B. weißes Rauschen, rosa Rauschen, braunes Rauschen.
In Anlehnung an die Frequenzcharakteristik des sichtbaren Lichts, steht der Begriff weißes Rauschen für eine statistische, gleichmässige Verteilung aller Frequenzen f mit vergleichbaren Amplituden y, analog der additiven Farbmischung aller ("Farb-") Frequenzen des sichbaren Spektrums, welche die Farbe Weiß ergeben.
Rauschleistung PN und Rauschleistungspegel LPN für die Rauschbandbreite Δf von 1 Hz bei Widerstandsanpassung (Leistungsanpassung):
Der thermische Rauschleistungspegel LPN läßt sich als Funktion der Rauschbandbreite Δf darstellen:
| Rauschbandbreite Δf |
Rauschleistungspegel LPN |
Rauschspannung UR(50 Ω) |
||
|---|---|---|---|---|
| 1 Hz | -174 dBm | 4,55·10-10 V | ||
| 1 kHz | -144 dBm | 1,44·10-8 V | ||
| 1 MHz | -114 dBm | 4,55·10-7 V | ||
| 1 GHz | -84 dBm | 1,44·10-5 V | ||
| 0,2422 EHz | 0 dBm | 0,224 V |
Bei logarithmischen Pegeln in dBm mit T = 300 K
Die Rauschenleistung ist also proportional zur Bandbreite des Frequenzbereichs.
Ein besonderes Augenmerk verdienen hierbei die Bandbreiten handelsüblicher Funkgeräte, In-Ear-Monitoring-Stereo-Sender und Funkmikrofone:
| Rauschbandbreite Δf |
Rauschleistungspegel LPN |
|
|---|---|---|
| 6.25 kHz | -136 dBm | |
| 12.5 kHz | -133 dBm | |
| 20 kHz | -131 dBm | |
| 100 kHz | -124 dBm | |
| 200 kHz | -121 dBm | |
| 600 kHz | -116 dBm | |
| 1 MHz | -114 dBm |
Dabei ist zu erkennen, das eine Verdoppelung der Rauschbandbreite Δf die Rauschleistung PN um 3 dB erhöht (eine Verzehnfachung um 10 dB).
Im Umkehrschluß folgt der Reduzierung der Bandbreite eine Verringerung des Rauschens und erhöht somit die Reichweite (theoretisch!).