Schuss-Geräusch ist ein Typ des elektronischen Geräusches, das aus der getrennten Natur der elektrischen Anklage entsteht. Der Begriff gilt auch für das Foton, das in optischen Geräten zählt, wo geschossenes Geräusch mit der Partikel-Natur des Lichtes vereinigt wird.

Ursprung

Es ist bekannt, dass in einem statistischen Experiment solcher als werfend eine schöne Münze und die Ereignisse von Köpfen und Schwänzen, den Zahlen von Köpfen und Schwänzen nachdem aufzählend, sich sehr viel Werfen durch nur einen winzigen Prozentsatz unterscheiden wird, während nach nur einigen Werfen-Ergebnissen mit einem bedeutenden Übermaß an Köpfen über Schwänze oder umgekehrt üblich sind; wenn ein Experiment mit einigem Werfen immer wieder wiederholt wird, werden die Ergebnisse sehr schwanken. (Es kann bewiesen werden, dass die Verhältnisschwankungen als die Quadratwurzel der Zahl des Werfens, ein Ergebnis abnehmen, das für alle statistischen Schwankungen einschließlich des Schuss-Geräusches gültig ist.)

Schuss-Geräusch besteht, weil Phänomene wie leichter und elektrischer Strom aus der Bewegung von getrennten (auch genannt "gequantelt") 'Pakete' bestehen. Denken Sie, dass leichter-a Strom des getrennten Herauskommens der Fotonen eines Laserzeigestocks und Schlagens einer Wand einen sichtbaren Punkt schafft. Die grundsätzlichen physischen Prozesse, die Lichtemission regeln, sind solch, dass diese Fotonen vom Laser aufs Geratewohl Zeiten ausgestrahlt werden; aber viele Milliarden von Fotonen mussten einen Punkt schaffen sind so viele, die die Helligkeit, die Zahl von Fotonen pro Einheitszeit, nur unendlich klein mit der Zeit ändert. Jedoch, wenn die Laserhelligkeit reduziert wird, bis nur eine Hand voll Fotonen die Wand jede Sekunde geschlagen hat, werden die Verhältnisschwankungen in der Zahl von Fotonen, d. h., Helligkeit, ebenso wenn bedeutend sein, eine Münze ein paar Male werfend. Diese Schwankungen werden Geräusch geschossen.

Das Konzept des Schuss-Geräusches wurde zuerst 1918 von Walter Schottky eingeführt, der Schwankungen des Stroms in Vakuumtuben studiert hat.

Schuss-Geräusch kann dominierend sein, wenn die begrenzte Zahl von Partikeln, die Energie tragen (wie Elektronen in einem elektronischen Stromkreis oder Fotonen in einem optischen Gerät) genug klein ist, so dass Unklarheiten wegen des Vertriebs von Poisson, der das Ereignis von unabhängigen zufälligen Ereignissen beschreibt, bedeutend sind. Es ist in Elektronik, Fernmeldewesen, optischer Entdeckung und grundsätzlicher Physik wichtig.

Der Begriff kann auch gebraucht werden, um jede Geräuschquelle, selbst wenn allein mathematisch vom ähnlichen Ursprung zu beschreiben. Zum Beispiel können Partikel-Simulationen einen bestimmten Betrag "des Geräusches", wo erwartet, zur kleinen Zahl von vorgetäuschten Partikeln erzeugen, die Simulation stellt übermäßige statistische Schwankungen aus, die das wirkliche System nicht widerspiegeln. Der Umfang des Schuss-Geräusches nimmt gemäß der Quadratwurzel der erwarteten Zahl von Ereignissen, wie der elektrische Strom oder die Intensität des Lichtes zu. Aber da die Kraft des Signals selbst schneller, das Verhältnisverhältnis von Schuss-Geräuschabnahmen und dem Signal zum Geräuschverhältnis (das Betrachten nur des Schuss-Geräusches) Zunahmen irgendwie zunimmt. So wird Schuss-Geräusch öfter mit kleinen Strömen oder leichten Intensitäten im Anschluss an die genügend Erweiterung beobachtet.

Für die große Anzahl nähert sich der Vertrieb von Poisson einer Normalverteilung, normalerweise Schuss-Lärm in wirklichen vom wahren Geräusch von Gaussian nicht zu unterscheidenden Beobachtungen machend außer, wenn die elementaren Ereignisse (Fotonen, Elektronen, usw.) so wenige sind, dass sie individuell beobachtet werden. Da die Standardabweichung des Schuss-Geräusches der Quadratwurzel der durchschnittlichen Zahl von Ereignissen N gleich ist, wird durch das Verhältnis des Signals zum Geräusch gegeben:

:.

So, wenn N sehr groß ist, ist das Verhältnis des Signals zum Geräusch ebenso sehr groß, und irgendwelche Verhältnisschwankungen im N wegen anderer Quellen werden mit größerer Wahrscheinlichkeit über Schuss-Geräusch herrschen. Jedoch, wenn die andere Geräuschquelle an einem festen Niveau wie Thermalgeräusch ist, N zunehmend (der Gleichstrom-Strom oder das leichte Niveau, usw.) kann manchmal zu Überlegenheit des Schuss-Geräusches dennoch führen.

Eigenschaften

Elektronische Geräte

Das Schuss-Geräusch in elektronischen Stromkreisen besteht aus zufälligen Schwankungen des elektrischen Stroms in einem Gleichstrom-Strom, die wegen der Tatsache entstehen, dass Strom wirklich aus einem Fluss von getrennten Anklagen (Elektronen) besteht. Weil das Elektron solch eine winzige Anklage jedoch hat, ist Schuss-Geräusch der Verhältnisgeringfügigkeit in vielen (aber nicht alle) Fälle der elektrischen Leitfähigkeit. Zum Beispiel besteht das 1 Ampere des Stroms aus ungefähr Elektronen pro Sekunde; wenn auch sich diese Zahl durch mehrere Milliarden in jeder gegebenen Sekunde zufällig ändern wird, ist solch eine Schwankung im Vergleich zum Strom selbst winzig. Außerdem ist Schuss-Geräusch häufig im Vergleich zu zwei anderen Geräuschquellen in elektronischen Stromkreisen, Flackern-Geräusch und Geräusch von Johnson-Nyquist weniger bedeutend. Jedoch ist Schuss-Geräusch Temperatur und Frequenz unabhängig im Gegensatz zum Geräusch von Johnson-Nyquist, das zur Temperatur und dem Flackern-Geräusch mit der geisterhaften Dichte proportional ist, die mit der Frequenz abnimmt. Deshalb an hohen Frequenzen und niedrigem Temperaturschuss kann Geräusch die dominierende Quelle des Geräusches werden.

Mit sehr kleinen Strömen und dem Betrachten kürzerer zeitlicher Rahmen (so breitere Bandbreite) kann Schuss-Geräusch bedeutend sein. Zum Beispiel funktioniert ein Mikrowellenstromkreis auf zeitlichen Rahmen weniger als einer Nanosekunde, und wenn wir einen Strom von 16 nanoamperes haben sollten, die sich auf nur 100 Elektronen belaufen würden, die jede Nanosekunde gehen. Gemäß der Statistik von Poisson würde sich die wirkliche Zahl von Elektronen in jeder Nanosekunde durch 10 Elektronen rms ändern, so dass eine sechste von der Zeit, die weniger als 90 Elektronen einem Punkt und einer sechster von der Zeit mehr als 110 Elektronen passieren würden, in einer Nanosekunde aufgezählt würde. Jetzt mit diesem kleinen auf diesem zeitlichen Rahmen angesehenen Strom beläuft sich das Schuss-Geräusch auf 1/10 des Gleichstrom-Stroms selbst.

Das Ergebnis durch Schottky, gestützt in der Annahme, dass die Statistik des Elektrondurchgangs Poissonian ist, liest für die geisterhafte Geräuschdichte an der Frequenz,

:

S (\omega) = 2e\vert ich \vert \,

</Mathematik>

wo die Elektronanklage ist, und der durchschnittliche durch den Elektronstrom geschaffene Strom ist. Die geisterhafte Geräuschmacht ist unabhängige Frequenz, was bedeutet, dass das Geräusch weiß ist. Das ist das klassische Ergebnis im Sinn, dass es nicht in Betracht zieht, dass Elektronen Fermi-Dirac Statistik folgen. Das kann mit der Formel von Landauer verbunden werden, die den durchschnittlichen Strom mit der Übertragung eigenvalues des Kontakts verbindet, durch den der Strom (Etikett-Transportkanäle) gemessen wird. Im einfachsten Fall diese kann Übertragung eigenvalues genommene unabhängige Energie sein, die Formel von Landauer ist

:

I = \frac {e^2} {\\pi\hbar} V \sum_n T_n \,

</Mathematik>

wo die angewandte Stromspannung ist. Das sorgt

für:

S = \frac {2e^3} {\\pi\hbar} \vert V \vert \sum_n T_n \,

</Mathematik>

allgemein gekennzeichnet als der Wert von Poisson des Schuss-Geräusches. Das richtige Ergebnis zieht die Quant-Statistik von Elektronen in Betracht und liest (bei der Nulltemperatur)

:

S = \frac {2e^3} {\\pi\hbar} \vert V \vert \sum_n T_n (1 - T_n) \.

</Mathematik>

Es wurde in den 1990er Jahren von Khlus, Lesovik (unabhängig der Fall des einzelnen Kanals), und Büttiker (Mehrkanalfall) erhalten. Dieses Geräusch ist weiß und wird immer in Bezug auf den Wert von Poisson unterdrückt. Der Grad der Unterdrückung ist als der Faktor von Fano bekannt. Durch verschiedene Transportkanäle erzeugte Geräusche sind unabhängig. Völlig offen und völlig geschlossen erzeugen Kanäle kein Geräusch, da es keine Unregelmäßigkeiten im Elektronstrom gibt.

Bei der begrenzten Temperatur kann ein geschlossener Ausdruck für das Geräusch geschrieben werden. Es interpoliert zwischen Schuss-Geräusch (Nulltemperatur) und Geräusch von Nyquist-Johnson (hohe Temperatur).

Beispiele

• Tunnel-Verbindungspunkt wird durch die niedrige Übertragung in allen Transportkanälen charakterisiert, deshalb ist der Elektronfluss Poissonian, und der Faktor von Fano kommt demjenigen gleich.
• Quant-Punkt-Kontakt wird durch eine ideale Übertragung in allen offenen Kanälen charakterisiert, deshalb erzeugt er kein Geräusch, und der Faktor von Fano kommt Null gleich. Die Ausnahme ist der Schritt zwischen Plateaus, wenn einer der Kanäle teilweise offen ist und Geräusch erzeugt.

Effekten von Wechselwirkungen

Während das das Ergebnis ist, wenn die Elektronen, die zum Strom beitragen, völlig zufällig, ungekünstelt durch einander vorkommen, gibt es wichtige Fälle, in denen diese natürlichen Schwankungen wegen einer Anklage größtenteils unterdrückt werden, entwickeln sich. Nehmen Sie das vorherige Beispiel, in dem ein Durchschnitt von 100 Elektronen vom Punkt gehen, um B jede Nanosekunde anzuspitzen. Während der ersten Hälfte einer Nanosekunde würden wir annehmen, dass 50 Elektronen Punkt B im Durchschnitt erreichen, aber in einer besonderen Hälfte der Nanosekunde könnte es 60 Elektronen gut geben, die dorthin ankommen. Das wird eine negativere elektrische Anklage am Punkt B schaffen als Durchschnitt, und dass Zuschlag dazu neigen wird, den weiteren Fluss von Elektronen davon zurückzutreiben, Punkt während der restlichen Hälfte der Nanosekunde zu verlassen. So der integrierte Nettostrom wird mehr als eine Nanosekunde mehr dazu neigen, in der Nähe von seinem durchschnittlichen Wert von 100 Elektronen zu bleiben, anstatt die erwarteten Schwankungen auszustellen (10 Elektronen rms) wir haben gerechnet. Das ist in gewöhnlichen metallischen Leitungen und in Metallfilmwiderständen der Fall, wo geschossenes Geräusch fast wegen dieser Antikorrelation zwischen der Bewegung von individuellen Elektronen völlig annulliert wird, einander durch die Ampere-Sekunde-Kraft folgend.

Jedoch gilt diese Verminderung des Schuss-Geräusches nicht, wenn sich der Strom aus zufälligen Ereignissen an einer potenziellen Barriere ergibt, die alle Elektronen wegen einer zufälligen Erregung, solcher als durch die Thermalaktivierung überwinden müssen. Das ist die Situation in p-n Verbindungspunkten zum Beispiel. Eine Halbleiter-Diode wird so als eine Geräuschquelle durch den Übergang eines besonderen Gleichstrom-Stroms dadurch allgemein verwendet.

Schuss-Geräusch ist von der Stromspannung und den aktuellen im Thermalgleichgewicht erwarteten Schwankungen verschieden; das kommt ohne jede angewandte Gleichstrom-Stromspannung oder das aktuelle Fließen vor. Diese Schwankungen sind als Johnson-Nyquist Geräusch- oder Thermalgeräusch und Zunahme im Verhältnis zur Temperatur von Kelvin jedes widerspenstigen Bestandteils bekannt. Jedoch sind beide Beispiele des weißen Geräusches und können so nicht bemerkenswert sein, indem einfach sie sie beobachten, wenn auch ihre Ursprünge ziemlich unterschiedlich sind.

Da Schuss-Geräusch ein Prozess von Poisson wegen der begrenzten Anklage eines Elektrons ist, kann man rechnen die Wurzel bedeuten aktuelle Quadratschwankungen als seiend von einem Umfang

:

\sigma_i =\sqrt {2 \, q \, ich \,\Delta f }\

</Mathematik>

wo q die elementare Anklage eines Elektrons ist, ist Δf die Bandbreite im Hertz, über das das Geräusch betrachtet wird, und ich das Gleichstrom-Strom-Fließen bin.

Für einen Strom von 100 mA, das aktuelle Geräusch über eine Bandbreite von 1 Hz messend, erhalten wir

:

\sigma_i = 0.18 \,\mathrm {nA} \;.

</Mathematik>

Wenn dieser Geräuschstrom durch einen Widerstand eine Geräuschstromspannung von gefüttert wird

:

\sigma_v = \sigma_i \, R

</Mathematik>

würde erzeugt. Kopplung dieses Geräusch durch einen Kondensator, man konnte eine Geräuschmacht von liefern

:

P = {\\frac 1 2 }\\, q \, ich \,\Delta f R.

</Mathematik>

zu einer verglichenen Last.

Optik

In der Optik beschreibt Schuss-Geräusch die Schwankungen der Zahl von Fotonen entdeckt (oder einfach aufgezählt im Auszug) wegen ihres von einander unabhängigen Ereignisses. Das ist deshalb eine andere Folge von discretization in diesem Fall der Energie im elektromagnetischen Feld in Bezug auf Fotonen. Im Fall von der Foton-Entdeckung ist der relevante Prozess die zufällige Konvertierung von Fotonen in Photoelektronen zum Beispiel, so zu einem größeren wirksamen Schuss-Geräuschniveau führend, wenn er einen Entdecker mit einer Quant-Leistungsfähigkeit unter der Einheit verwendet. Nur in einem exotischen gedrückten zusammenhängenden Staat kann die Zahl von pro Einheitszeit gemessenen Fotonen hat Schwankungen, die kleiner sind als die Quadratwurzel der erwarteten Zahl von in dieser Zeitspanne aufgezählten Fotonen. Natürlich gibt es andere Mechanismen des Geräusches in optischen Signalen, die häufig den Beitrag des Schuss-Geräusches überragen. Wenn diese jedoch fehlen, wie man sagt, ist optische Entdeckung "Foton-Geräusch beschränkt" als nur das Schuss-Geräusch (auch bekannt als "Quant-Geräusch" oder "Foton-Geräusch" in diesem Zusammenhang) bleiben.

Schuss-Geräusch ist im Fall von Photovermehrern und in der Weise von Geiger verwendeten Lawine-Fotodioden leicht erkennbar, wo individuelle Foton-Entdeckungen beobachtet werden. Jedoch ist dieselbe Geräuschquelle mit höheren leichten Intensitäten anwesend, die durch jeden Photoentdecker gemessen sind und ist direkt messbar, wenn es das Geräusch des nachfolgenden elektronischen Verstärkers beherrscht. Ebenso mit anderen Formen des Schuss-Geräusches klettern die Schwankungen in einem Photostrom wegen des Schuss-Geräusches als die Quadratwurzel der durchschnittlichen Intensität:

:

\right) ^2\rangle \propto I. </Mathematik>

Das Schuss-Geräusch eines zusammenhängenden optischen Balkens (keine anderen Geräuschquellen habend), ist ein grundsätzliches physisches Phänomen, Quant-Schwankungen im elektromagnetischen Feld widerspiegelnd (wegen der so genannten Nullpunktsenergie. Das geht unter ein niedrigerer hat zum Geräusch gebunden, das durch Quant-Verstärker eingeführt ist, die die Phase eines optischen Signals bewahren.

Siehe auch

• 1/f-Geräusch
• Platzen-Geräusch
• Bildgeräusch
• Quant-Leistungsfähigkeit

Außenverbindungen

• Schuss-Geräusch auf arxiv.org