نویز چیست؟ قسمت 1

نوفه یا «نویز» (به انگلیسی: Noise) بمعنای آلودگی صوتی یا نشانکی (سیگنال) ناخواسته است که شکل نشانک‌ها را تغییر می‌دهد و باعث بروز اختلال می‌شود.

 

نوفه در اندازه‌گیری مقدارهای خروجی یک سامانه تأثیر می‌گذارد چنان‌که مقدار مثبوت آن با مقدار واقعی آن فرق دارد. اگر مقدارهای شمارش حاصل از یک منبع پرتوزا را پی در پی اندازه بگیریم، می‌توانیم مقدار شمارش متوسّط را محاسبه کنیم و سپس انحراف معیار را بدست آوریم. در این حالت، اندازه‌گیری‌های چندگانه برای بهبود دقّت اندازه‌گیری و تعیین دقیق‌تر مقدار متوسّط انجام می‌شوند و نوسان‌های زیاد در اندازه‌گیری نشانگر نوفهٔ سامانه است. این نوسان‌ها ذاتاً تصادفی می‌باشند و با تعیین انحراف معیار (σ) ارزیابی می‌شوند.

نوفهٔ روی یک تصویر، اغلب دارای اجزای بسامدی (فرکانسی) نیز می‌باشند و واکاوی بسامدی شبیه به نشانک (اطّلاعات واقعی تصویر) دارد. بیناب توان نوفه که «بیناب وینِر» هم نامیده می‌شود همان وردایی (واریانس) نوفه ۲(σ) تصویر است که بصورت تابعی از بسامد فضایی (f) بیان می‌گردد.

نویز در شبکه‌های رایانه‌ای

در شبکه‌های رایانه‌ای حرارت، القا و هم‌شنوایی سبب ایجاد نوفه می‌شوند.

حرارت

حرارت باعث می‌شود الکترون‌ها در جهت‌های نامشخّص آغاز به حرکت کنند، این حرکت گاهی با نشانک‌ها هم‌جهت می‌شوند و اندازه و شکل آنها که همان الگوهای نشانک‌هاست را تغییر می‌دهد و نوفه پدید می‌آید.

القای الکترومغناطیسی

موتورهای مکانیکی مانند موتور خودرو یا موتورهای الکتریکی وسیله‌های خانگی نوفهٔ القایی می‌آفرینند. این وسیله‌ها مانند یک آنتن فرستنده کار می‌کنند و می‌توانند نوفه را ارسال کنند و بافهٔ شبکه، مانند یک آنتن گیرنده نوفه‌های ارسالی را دریافت می‌کند. بافه‌های برق فشار قوی یا رعد و برق نیز نوفهٔ القایی ایجاد می‌کنند.

هم‌شنوایی

هم‌شنوایی اثر میدان‌های مغناطیسی یک بافه کنار خود است.

منبع

---

در زندگی روزانه  نویز(noise) به صدایی ناخواسته و بلند گفته می‌شود که هیچ نظم موسیقی نداشته باشد  در دورانی که ارتباط رادیودیی وجود داشت ، نویز “هر سیگنال الکتریکی که باعث مختل کردن ارتباط رادیودیی می‌شود ” تغریف شد . ( برگرفته از فرهنگ لغت وبستر). این نوع نویز قبل شنیدن بود ؛ مانند نویزی که در گوشی‌ها می‌شنویم .

در یک تعریف کلی تر ، به هر نوسان و تغییر غیر عمدی که بر روی سیگنال‌های مورد اندازه گیری ظاهر می‌شود ،نویز گفته می‌شود . هر کمیتی می‌تواند نویز بپذیزذ . در مدار‌های الکتریکی ما با  نویر ولتاژ و نویز جریان یر و کار داریم ؛ این نویز ناشی از تغیرات گرمایی و تاثیر آنها بر روی حامل‌های الکترونیکی است . در ناحیه رادیو و میکرو ویو  ما با نویز‌های الکترو مغناطیسی سر و کار داریم . نویز‌هایی که ناشی از  گرما یا تابش وتون‌های کم انرژی است .  ولی نویز می‌تواند به تغییرات غیر عمدی کمیت‌های دیگری نیز باشد . مانند ترافیک در اتوبان‌ها( مثال بارزش اتوبان‌های تهران که اصلا همش نویز هست!)یا ریتم قطره‌های ا بر روی سقف .
نویز در همه جا حضور دارد ؛ هرجا که کسی سیگنالی را بخواهد اندازه گیری کند ، حتما یک نوع نویز بر روی آن می‌افتد . هر آزمایش دقیق و با کیفیت بالا که در دنیای فیزیک  انجام می‌ود ، به کار زیادی نیاز دارد تا بتوان نویز محیط را پیش بینی و همچنین به طرقی تاثیر آن را کم کرد. اهمیت تحلیل نویز وقتی کاملا نمایان می‌شود که یک فرد متوجه بشود که کیفیت سیگنا انازه گیری شده به وسیله ی مقدار مطلق انرژی سیگنال  تعیین نمی‌شود  بلکه از نسبت سیگنال به نویز  تعینن میشود . نتیجه تحققات نشان می‌دهد که بهترین روش برای بهبودی نسبت سیگنال به نویز ، کاعش نویز است نه افزایش قدارت سیگنال .
نویز تصادفی طبق تعریف ، غر قابل کنترل است و مقدار دقیق آن در آزمایش‌های مختلف با هم فرق دارد.  پس بهتر است که به صورت آماری نشان داده شود .
نویز تصادفی است و معمولا توزیع آن را توزیع گاوسی در نظر می‌گیرند( البته این توزیع معمولا در نظر گرفته می‌شود ولی در شرایط متفاوت ممکن است توزیع‌های متفاوتی در نظر  گرفته شوند ) . تصادفی بودن نویز  باعث می‌شود که میانگین آن صفر شود . پس برای توصیف آن از مقادیر توان دو آن استفاده می‌شود .  مقدار موثر نویز از جذر میانگین مربعات آن بدست می‌آید .(rms) .البته این پارامتر هیچ اطلاعاتی در مورد نتغیر با زمان بودن نویز و یا  اجزای فرکانسی آن نمی‌دهد .
لازم است تغییر پذیری با زمان را برای نویز تعریف کنیم . نویزی را ایستا می‌گوییم ( نا متغیر با زمان ) که ویژگی‌های آماری آن با زمان تغییرنکند. به طور مثال واریانس و یا مقدار موثر  آن با زمان تغییر نکند .

در سیستم‌هایی که چند منبع نویز وجود داشته باشد  نویز کلی می‌تواند به صورت مجموع نویز‌های مختلف نوشته شود . اگر این نویز‌ها مستقل از یکدیگر باشند می‌توان مقدار موثر را به صورت جمع مقدار‌های موثر تک تک منابع نویز نوشت . ( نویز‌هایی مستقل هستند که میانگین حاصلضزب دو به دوی نویز‌ها صفر شود )

انواع نویز :

نویز بر اساس تغییرات زمانی و فرکانسی خود بیشتر مشخص می‌شوند . در شکل زیر نویز را بر اساس چگالی طیفی نویز ( که بر اساس فرکانس است) رسم شده است.
نویز‌هایی که در زیر آمده است ، معمول ترین نویز‌های موجود هستند :
۱-   نویز سفید طیفی (یا در واقعیت ، نویز صورتی)
۲-   آشفتگی های هارمونیک
۳-   نویز ۱/f
4-   رانش

در اینجا ، منبع هر کدام از نویز‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد و مهمترین نویز ، نویز سفید ، بیشتر تاکید می‌شود .
1- نویز سفید: طیفی طبق تعریف به نویزی گفته می‌شود که طیف چگالی آن به فرکانسی بستگی نداشته باشد .( مقدار ثابتی باشد ). البته این یک تعریف ایده ال است چون اگر از یک عدد ثابت نسبت به فرکانس انتگرال بگیریم ، واریانس نویز ( یا همان انرژی نویز ) بی نهایت به دست می‌آید . در سیستم‌های‌هایی که بیشتر مورد بررسی قرار می‌گیرند ، نویز عملا سفید نیست بلکه “صورتی ” است .به این معنا که داری فرکنس قطع می‌باشد . این فرکانس قطع باعث می‌شود که واریانس نویز محدود شود . در سیستم‌های  کاربردی ، به اندازه ی کافی بزرگ است و مقدار چگالی طیفی آن به اندازه ی کافی ثابت است تا مدل نویز سفید را راضی کند . نویز سفید طیفی یکی از بنیادی ترین و فیزیکی ترین نویز‌ها در لیست بالا است .
بیشتر نویز‌های فوق را می‌توان ( به طور کلی) با استفاده از طراحی‌های زیرکانه برداشت ولی محدودیت‌های بنیادی نویز سفید آن را محدود می‌کند. نویز سفید به دو صورت ظاهر می‌شود : نویز دمایی و اثر ساچمه ای .
2- آشفتگی‌های‌هارمونیکی: واقعا نویز‌های تصادفی نیستند بلکه آشفتگی هایی هستند که از منابع نزدیک گرفته میشود (یا اصطلاحا نویز از طریق منابع نزدیک روی سیستم افتاده است). این نویز‌ها می‌توانند به وسیله ی طراحی‌های مناسب حذف بشوند. ترفند‌های که برای حذف این نویز استفاده می‌شوند عبارتند از : پوشش، زمین کردن مناسب ، کاهش حساسیت سیستم به نویز گرفتن .از آنجایی که آشفتگی‌های هارمونیکی دارای فرکانس‌های مشخصی هستند، باعث ایجاد نوسانات غیر میرا در سیگنال و ایجاد ضربه در طیف فرکانسی می‌شوند. این رفتار تکین باعث میشود که نوع آنها با نویز‌های دیگر فرق کند.( توی آزمایشگاه‌های الکتریسیته، می توان نویز برق شهر را بر روی اسیلوسکوپ مشاهده کرد. فقط کافی است دو دست خود را به ورودی‌های اسکوپ وصل کنید ؛ چون بدن مثل آنتن عمل میکند و این نویز  را که در فضا پر است را می‌گیرد.)
3- نویز ۱/f : از روی اسم نویز ۱/f می‌توان فهمید که رفتار آن چگونه می‌تواند باشد .چگالی طیفی این نویز با آهنگ ۱/f کاهش پیدا می‌کتد. این نویز در وسایل نیمه رسانا حضور دارد و عموماً به ” دام‌های ژرف (deep traps) ” نسبت داده می‌شود ؛ این دام‌های ژرف باعث می‌شوند که حامل‌ها برای مدتی به دام بیفتند. البته مکانیزم ایجاد این نویز همیشه مشخص نیست. در نتیجه ی این دام‌های ژرف و کند، ویژگی‌های وسیله با زمان به صورت کندی تغییر می کنند و این کندی تغییر یعنی در فرکانس‌های پایین این نویز دارای بیشترین انرژی می‌باشد. قدرت نویز ۱/f بستگی به نحوه ی تولید دارد از وسیله ی به وسیله ی دیگر متفاوت است. برای یک وسیله ی نیمه‌هادی، جایی که قدرت نویز ۱/f  با نویز سفید برابر می‌شود  در یک بازه ی بزرگ ۱ هرتز تا ۱۰۰ کیلو هرتز است .
4- رانش: کمی‌ قبلتر گفتیم که نویز بدون هیچ مقدار ثابتی است یعنی مقدار میانگین آن صفر است. _N(t)_ = 0. ولی باید گفت که این جمله همیشه درست نیست . در بعضی سیستم‌ها مقدار ثابت نمودار با زمان تغییر میکند(برای دوستانی که با تبدیل و سری فوریه آشنایی ندارند باید توضیح بدهم که در بسط دادن یک سیگنال به صورت سینوسی و یا نمایی ، مقداری ظاهر می‌شود که آن مقدار ثابت منحنی می‌گویند. این مقدار ثابت نشان دهنده ی میانگین نمودار است  و می‌توان برای شکلهای متقارن گفت که نمودار روی آن سوار می‌شود. مثال: یک موج سینوسی که به جای حرکت رو ی محور x ‌ها روی مقدار  y=1 حرکت می کند). وقتی که این مقادیر ثابت به صورت خطی و ثابت تغییر می کنند، به آن رانش گفته می شود .البته این جمله ممکن است کمی‌بی معنا باشد ولی می‌توان گفت که این نویز دارای فرکانس بسیار پایین است؛ چون تبدیل فوریه یک تابع با شیب ثابت یک چیزی شبیه مشتق تابع ضربه در اطراف صفر است. بهتر است واژه ی رانش برای نویز‌هایی گفته شود که در طول زمان دارای تغییرات خطی هستند چون در صورت بروز تغییرات تبدیل فوریه ی آن دارای فرکانس‌هایی خواهد بود که غیر از فرکانس صفر است .

در اینجا به عوامل ایجاد کننده ی نویز‌های مختلف اشاره می‌کنیم:

نویز دمایی :

همانطور که گفته شد نویز سفید ، بنیادیترین نویز است و لی این حرف باید کامل  شود؛ نویز سفید با منشأ دمایی این ویژگی را دارد. نویز دمایی که بعضی اوقات نویز جانسون هم گفته می شود یک نتیجه ی طبیعی از نظریه ی نوسان-اتلاف است. این نظریه بیان می‌کند که هر المان اتلاف کننده انرژی نوساناتی خود به خود متناسب با قدرت اتلاف المان هنگامی‌که تحت یک میدان خارجی است، ایجاد می‌کند.(یک ذره نامفهوم هست، نه؟). منشأ فیزیکی نوسانات و اتلاف کوپلاژ و اتصال بین المان و محیط اطراف است. یک اتصال قوی باعث ایجاد اتلاف زیاد و در نتیجه نوسانات زیادی می‌شود. در فرکانس‌هایی کمتر از f << kT/h, که در آن k  ثابت بولتزمن، h  ثابت پلانک و T دمای محیط است. مقدار انرژی طیفی نوسانات دمایی  ثابت و مقدار آن متناسب با دما است. به همین خاطر به آن نویز سفید دمایی گفته میشود(چون مقدار ثابتی دارد).
یک مثال از نویز دمایی نوسانات ولتاژ در مقاومت است. در حضور یک میدان خارجی مقدار اتلافی که وجود دارد برابر با V^2/R است. وقتی که میدان خارجی وجود نداشته باشد و همان اتم‌ها و الکترون‌هایی که در حضور میدان باعث ایجاد گرما می‌شدند، با هم برخورد می‌کنند ولی این بار یک ولتاژ بین دو سر اتصال مقاومت ایجاد می‌کنند(به دلیل تغییرات در چگال الکترون‌ها در دو طرف مقاومت). واریانس این تغییرات ولتاژ برابر است با : ۴kTRΔf که با تقسیم کردن آن بر فرکانس چگالی طیفی نویز به دست می‌آید. در دمای اتاق ، برای یک مقاومت ۱k در یک پهنای باند یک مگاهرتر تغییرات ولتاژ ۰٫۹ میکرو ولت بدست می‌آید .  یعنی می‌توان گفت که تغییرات ولتاژ در حد ۱ میکرو ولت خواهد بود .

نویز یا اثر ساچمه ای (Shot noise)

اثر ساچمه ای زمانی اتفاق می‌افتد که یک سری المان‌های گسسته از یک مانع به صورت غیر مستقل عبور می‌کنند. مدل اثر ساچمه ای،  جریان آبی است که در اثر برخورد باران با سقف  بوجود می‌آید . باران شامل قطراتی است که کم و بیش به صورت مستقل برخورد می‌کنند . این قطرات در جریان آب به صورت بی قاعده  اثر می‌گذارند و مقدار آن را در لحظاتی زیاد می‌کنند . قطرات، یا بهتر از ان تگرگ، در هنگام برخورد با سقف صدا ایجاد می‌کنند. این صدا همان اثر ساچمه ای یا Shot noise  است. مثال‌های دیگری از اثر ساچمه ای عبارتند از : الف) تغییرات در  جریان الکتریکی تولید شده توسط  الکترون‌ها از کاتد و ب) تغییرات در شار نوری تولید شده توسط فوتون‌ها در هنگام بر خورد با یک ماده ی حساس به نور.

در زیر نشان می‌دهیم که نوسانات ایجاد شده توسط  اثر ساچمه ای در تمام فرکانس‌ها پخش می‌شود(البته تا یک فرکانس قطع معین). این فرکانس قطع، با عکس زمان تداوم هر کدام از برخورد‌ها را بطه ی مستقیم دارد؛ به عبارت دیگر، اثر ساچمه ای از نظر طیفی سفید است، همانطور که نویز گرمایی هم سفید است. در یک جریان الکتریکی ، نویز ساچمه ای  از رابطه ی زیر بدست می‌آید :

Si(f) = 2qi0 [A2/Hz]

که در آن i0 مقدار میانگین جریان است  q  هم بار یک الکترون است .
یک مطلب دیگر در مورد نویز ساچمه ای این است که هر المان (کوانتا) به صورت نا همبسته(uncorrelatd) وارد می‌شود. هنگامی که همبستگی رخ می‌دهد، مقدار نویز (طبق قاعده) از مقدار حدی نویز ساچمه ای پایین می‌آید. به عنوان مثال در یک مقاومت، نوسانات موجود در جریان به دلیل همبستگی بار‌های حامل بوجود می‌آید(همدیگر را لمس می‌کنند) . مقاومت از خود نویز ساچمه ای نشان نمی‌دهند. نمونه‌های دیگری از نویز ساچمه ای که دارای همبستگی می‌تواند باشد  : الف) نوسان در جریان کاتدی به دلیل وجود بار‌های موجود  در فضا است  ب)  تغییرات در شدت لیزر‌ها هنگامی که لیزر در منطقه ای بیشتر از آستانه ی خود کار می‌کند .

نویز ۱/f (نویز صورتی)

همه ی سیستم‌ها دارای نویز سفید می‌باشند. ولی بعضی سیستم‌های کاربردی علاوه بر آن نویز توسط نویز‌هایی با فرکانس پایین نیز آلوده شده اند. وقتی که این نویز طوری باشد که با شد که مقدار انرژی طیفی آن با  نرخ ۱/f کاهش پیدا بکند، گوییم که نوع نویز ۱/f  است (نویز صورتی). اهمیت نویز ۱/f در فرکانسی به نام فرکانس گذار مشخص می‌شود : در فرکانس‌های زیر این فرکانس نویز صورتی و در فرکانس های بالای این فرکانس نویز سفید غالب است.
نویز ۱/f می تواند در آزمایشات خیلی مزاحم باشد. در مواد نیمه‌هادی، منشاء این نویز‌ها، ناخالصی‌هایی است که در هنگام ساخت وارد ماده می‌شود( نه آن ناخالصی که باعث ایجاد n و P می‌شود). این ناخالصی‌ها بیشتر بر روی سطح نیمه‌هادی رخ می‌دهد تا درون آنها به همین دلیل موادی که دارای سطوح زیادی هستند، بیشتر از این نویز رنج می‌برند(مثل MOSFET‌ها). با پیشرفت تکنولوژی این نویز ممکن است آن قدر کم شود به طوری که بتوان از آن صرف نظر کرد.

معرفی  EMG:

جریانهای  الکتریکی  کوچکی  هستند که توسط فیبر‌های عضلانی به منظور فراهم کردن نیروی لازم عضلانی تولید می‌شوند. این جریانات به وسیله تبادلات یونی که در سطوح فیبر‌های ماهیچه ای صورت می‌گیرد تولید می‌شوند. این سیگنال‌ها که الکترومیوگرام (EMG) نامیده می‌شوند را می‌توان ازطریق قرار دادن المان‌های رسانا یا الکترود‌ها بر روی سطح پوست و یا به طور تهاجمی‌ از طریق قرار دادن در داخل فیبر ماهیچه ای اندازه گیری کرد.
اندازه گیری EMG به صورت سطحی از روی پوست به تعدادی از عوامل و دامنه سیگنال سطحی (sEMG)- که در رنج میکروولت تا چند میلی ولت تغییرات دارد – بستگی دارد .دامنه و فرکانس مشخصه سیگنال‌های EMG را می‌توان به عوامل زیر مرتبط دانست :
•   مدت زمان وقدرت انقباضی ماهیچه‌ها
•   فاصله الکترود‌های ماهیچه‌های فعال
•   مشخصه و خاصیت بافت‌های سطحی
•   جنس و مشخصه الکترود‌ها
•   اتصال مناسب بین الکترود و پوست
در اکثر موارد اطلاعاتی که در مورد مدت زمان و قدرت انقباض عضله می‌باشند بسیار مطلوب هستند. بقیه عوامل مانده فقط موجب نامطلوب تر شدن تغییرات در در ثبت EMG می‌شوند و موجب می‌شوند که تجزیه و تحلیل نتایج بسیار دشوار گردد. با وجود این روش‌هایی وجود دارد اثرات آن عوامل غیر عضله ای که بر روی سیگنال EMG تغییرات ایجاد می‌کنند کاهش داد:
•   استفاده از الکترود‌ها و تقویت کننده‌های همسان (به طور مثال اصلاح مشخصه‌های اطلاعات در پارامتر‌های سیگنال در خط انتقال از طریق تصحیح خصوصیات فاز و دامنه تقویت کننده‌ها )
•   اطمینان از همنواختی اتصال بین الکترودها و پوست
از این طریق می‌تواند با جابجایی پی در پی الکترود‌های در نواحی مختلف پوست میزان تغییرات ناخواسته در رنج EMG را کاهش داد. علاوه بر این از روش‌هایی برای نرمالیزه کردن سیگنال EMG در درون و بین الکترود‌ها و عضله استفاده کرد. تعداد بسیار زیادی از اطلاعات مهم مرتبط با ثبت و فراگیری و آنالیز سیگنال‌های sEMG را می‌توانید از طریق رفت به آدرس زیر کسب کنید :

(www.rrd.nl/projects/content/file_100.html) (Freriks and Hermens, 2000)

اندازه گیری و نتایج درست تا حد زیادی به مشخصه ی الکترود‌ها و تعامل متقابل آن با پوست – نوع طراحی تقویت کننده و تبدیل سیگنال‌ها از آنالوگ به دیجیتال (A/D ) وابسته است. کیفیت سیگنال EMG اندازه گیری شده به طور معمول به صورت نسبت سیگنال ثبت شده به نویز ناخواسته از محیط بیان می‌شود. هدف افزایش دامنه و متقابلاً کمتر کردن مقدار نویز وارده است.

منبع