• 散粒噪聲

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    散粒噪聲

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    散粒噪聲或泊松噪聲是一種可以通過泊松過程建模的噪聲。

    電子產品中,散粒噪聲源于電荷的離散性。 散粒噪聲也出現在光學設備的光子計數中,其中散粒噪聲與光的粒子性質有關。

    產地

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    在一個統計實驗中,例如拋一枚均勻的硬幣并計算正面和反面的出現次數,多次拋擲后正面和反面的數量只會相差很小的百分比,而僅拋幾次后結果正面朝上的次數就會xxx超過 尾巴或反之亦然; 如果一次又一次地重復幾次投擲的實驗,結果將會有很大的波動。 從大數定律可以看出,相對波動會隨著投擲次數的平方根倒數而減少,這一結果適用于所有統計波動,包括散粒噪聲。

    散粒噪音的存在是因為光和電流等現象由離散(也稱為量子化)“數據包”的運動組成。 考慮光——一束離散的光子——從激光指示器發出并撞擊墻壁以形成一個可見點。 控制光發射的基本物理過程使得這些光子在隨機時間從激光器發射; 但是創建一個斑點所需的數十億個光子是如此之多,以至于亮度,即每單位時間的光子數,隨時間的變化很小。 然而,如果降低激光亮度直到每秒只有少數光子撞擊墻壁,則光子數量(即亮度)的相對波動將很明顯,就像拋幾次硬幣一樣。 這些波動是散粒噪聲。

    1918 年,Walter Schottky 首次提出了散粒噪聲的概念,他研究了真空管中電流的波動。

    當攜帶能量的有限數量的粒子(例如電子電路中的電子或光學設備中的光子)足夠小以至于描述獨立隨機事件發生的泊松分布引起的不確定性時,散粒噪音可能占主導地位 , 意義重大。 它在電子、電信、光學檢測和基礎物理學中很重要。

    該術語也可用于描述具有相似來源的任何噪聲源,即使只是數學上的。 例如,粒子模擬可能會產生一定量的噪聲,由于模擬的粒子數量較少,模擬會出現不適當的統計波動,無法反映真實世界的系統。 散粒噪聲的幅度根據預期事件數(例如電流或光強度)的平方根而增加。 但由于信號本身的強度增加得更快,散粒噪聲的相對比例降低,信噪比(僅考慮散粒噪聲)無論如何都會增加。 因此,散粒噪聲最常見于已放大的小電流或低光強度。

    對于大數,泊松分布接近其均值的正態分布,基本事件(光子、電子等)不再單獨觀察,通常使實際觀察中的散粒噪聲與真正的高斯噪聲難以區分。 由于散粒噪聲的標準偏差等于平均事件數 N 的平方根,因此信噪比 (SNR) 由下式給出:

    S N R = N N = N 。 {\displaystyle \mathrm {SNR} ={\frac {N}{\sqrt {N}}}={\sqrt {N}}。\,}

    因此,當 N 非常大時,信噪比也非常大,并且由于其他來源導致的 N 的任何相對波動更有可能支配散粒噪聲。 然而,當其他噪聲源處于固定水平時,例如熱噪聲,或增長速度低于 N {\displaystyle {\sqrt {N}}} ,增加 N(直流電流或光照水平等) 會導致散粒噪聲占主導地位。

    散粒噪聲

    屬性

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    電子設備

    電子電路中的散粒噪音由直流電流中電流的隨機波動組成,其起源是由于電流實際上由離散電荷(電子)的流動組成。 然而,由于電子具有如此微小的電荷,散粒噪聲在許多(但不是全部)電傳導情況下相對微不足道。 例如,1 安培電流包含每秒約 6.24×1018 個電子; 盡管這個數字在任何給定的一秒內會隨機變化數十億,但與電流本身相比,這種波動是微不足道的。 此外,與電子電路中的其他兩種噪聲源(閃爍噪聲和約翰遜-奈奎斯特噪聲)相比,散粒噪聲通常不太顯著。 然而,散粒噪聲與溫度和頻率無關,這與 Johnson-Nyquist 噪聲(與溫度成正比)和閃爍噪聲形成對比,頻譜密度隨著溫度的升高而降低。

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    1. 散粒噪聲
    2. 產地
    3. 屬性
    4. 電子設備

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