Stromrauschen

Das Stromrauschen i​st ein Rauschen, d​as beim Fließen d​es elektrischen Stroms entsteht. Es w​irkt wie e​ine Störung a​uf das Nutzsignal u​nd verschlechtert d​amit die Qualität d​es Signals. Anders gesagt: Der Signal-Rauschabstand (englisch signal-to-noise ratio, SNR o​der S/N) w​ird verringert.

Der Begriff Stromrauschen w​ird zumeist s​ehr allgemein verwendet, e​r fasst d​amit als Sammelbegriff e​ine Vielzahl v​on Effekten zusammen, d​ie beim Fließen d​es elektrischen Stroms e​in Rauschen verursachen können. Seltener w​ird der Begriff m​it einer einzelnen Ursache, d​em Schrotrauschen, gleichgesetzt.[1][2]

Rauschen beim Stromfluss

Die meisten d​er hier aufgeführten Rauschquellen s​ind auch beispielhaft anhand d​er Elektronenröhre i​n dem Wikipedia-Artikel z​ur Elektronenröhre erklärt.

Stromverteilungsrauschen

Durch die verschiedenen Geschwindigkeiten der einzelnen Ladungsträger entsteht ein Rauschen. Dieser Effekt tritt unter anderem bei der Elektronenröhre auf.

Funkelrauschen

ist eine Form des Rauschens, die erstmals bei der Emission von Elektronen aus Glühkathoden beobachtet wurde. Erklärt wird das Funkelrauschen durch Vorgänge an der Oberfläche der Kathode infolge von Diffusion und Umladung von Fremdatomen. Das dabei teilweise sichtbare „Funkeln“ (englisch: flicker) gab dieser Art des Rauschens den Namen.

Schrotrauschen

(auch Schottky-Rauschen oder einfach Stromrauschen) Das Schrotrauschen tritt immer dann auf, wenn ein elektrischer Strom eine Potentialbarriere überwinden muss. Jeder einzelne Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) der am Gesamtstromfluss beteiligt ist, muss für sich diese Barriere überqueren. Dies geschieht nicht gleichmäßig, sondern ist ein statistischer Prozess. In der Summe sind auch auf makroskopischer Ebene gewisse Schwankungen des Stromflusses zu beobachten, die das Rauschen verursachen.

Influenzrauschen

Bei der Elektronenröhre kommt es vor allem bei Frequenzen oberhalb von 100 MHz zu Influenzvorgängen, die die Ursache für dieses Rauschen sind.

Wärmerauschen

(auch: thermisches Rauschen, Widerstandsrauschen, Nyquist-Rauschen, Johnson-Rauschen oder Johnson-Nyquist-Rauschen) ist ein weitgehend weißes Rauschen, das aus der thermischen Bewegung der Ladungsträger in elektrischen Schaltkreisen hervorgeht. Wärmerauschen äußert sich bei unbelasteten ohmschen Widerständen als thermisches Widerstandsrauschen, oft einfach Widerstandsrauschen genannt. Die thermische Bewegung der Leitungselektronen erzeugt an den Klemmen des Zweipols den Rauschstrom und die Rauschspannung.

Popkornrauschen

oder auch Burstrauschen. Die Ursache für dieses Rauschen sind metallische Verunreinigungen im Halbleiter. Diese können sprunghafte Veränderungen der Gleichstromparameter zur Folge haben und damit niederfrequente Impulse auslösen.[1]

Generations-Rekombinations-Rauschen

In Halbleitern (n- und p-leitenden Siliziumeinkristalle) kann das auftretende Stromrauschen als Generations-Rekombinationsrauschen gedeutet werden.[3][4] Dieses Rauschen tritt unterhalb der charakteristischen Frequenz ${\displaystyle f_{\text{c}}={\tfrac {1}{\tau }}}$ als Weißes Rauschen und oberhalb als 1/f²-Rauschen auf. Dabei ist ${\displaystyle \tau }$ die Relaxationszeit des Systems.[2]

Rauschen bei der Verarbeitung, Übertragung und Umwandlung von Signalen

Auch b​ei der Verarbeitung, Umformung o​der Umwandlung elektrischer Signale g​ibt es verschiedene Rauschquellen. Diese werden üblicherweise n​icht als Stromrauschen bezeichnet, sollen h​ier aber dennoch z​ur Übersicht genannt werden:

Quantisierungsrauschen

Bei der Digitalisierung eines analogen Signals durch einen Analog-Digital-Umsetzer entsteht ein Quantisierungsrauschen. Die Quantisierung in eine endliche Anzahl von Quantierungsstufen, die praktisch immer in Bits vorgenommen wird, hat eine reduzierte Auflösung und Quantisierungsfehler zur Folge. Diese Fehler wirken wie ein Rauschen auf das Signal und werden daher Quantisierungsrauschen genannt. Bei einem idealen Analog-Digital-Umsetzer ist ein Rauschabstand von etwa 6 dB pro Bit möglich.

Bandrauschen

entsteht bei der Magnetbandaufzeichnung von Audio- und Videosignalen.

Antennenrauschen

entsteht durch alle Arten ungewünschter elektromagnetischer Strahlung im Übertragungsband, wie Zünd- und Schaltfunken und Gewitter.

Komfortrauschen

(englisch comfort noise) ist ein im Rahmen der digitalen Signalverarbeitung künstlich erzeugtes Rauschen, welches bei der digitalen Übertragung von menschlicher Sprache zur Füllung von Sprachpausen verwendet wird.

Literatur

• Horst Schwetlick: PC-Meßtechnik. Grundlagen und Anwendungen der rechnergestützten Meßtechnik (Viewegs Fachbücher der Technik). Vieweg Verlag, Braunschweig u. a. 1997, ISBN 3-528-04948-4, 5. Kapitel (PDF)
• Manfred Seifart: Analoge Schaltungen. 6., durchgesehene Auflage. Verlag Technik, Berlin 2003, ISBN 3-341-01298-2.
• Martin Werner: Nachrichten-Übertragungstechnik. Analoge und digitale Verfahren mit modernen Anwendungen (Studium Technik). Vieweg, Wiesbaden 2006, ISBN 3-528-04126-9, insbesondere das Kapitel Rauschen in Kommunikationssystemen, Auszug des Textes.

Einzelnachweise

1. Horst Schwetlick: PC-Meßtechnik – Grundlagen und Anwendungen der rechnergestützten Meßtechnik. 1997, Kapitel 5, siehe Literatur
2. Rudolf Müller: Rauschen (= Halbleiter-Elektronik. Band 15). 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Springer, Berlin u. a. 1989, ISBN 3-540-51145-8 (Kapitel 4. und 5).
3. E. Grobe, K. Seiler: Stromrauschen in Silizium. In: Annalen der Physik. Band 466, Nr. 1, S. 75–82, bibcode:1963AnP...466...75G.
4. Willy Baumgartner, Hans Ulrich Thoma: Zum Stromrauschen von Halbleitern. In: Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Physik (ZAMP). Band 6, Nr. 1, Januar 1955, ISSN 0044-2275, S. 66–68, doi:10.1007/BF01600735.