ノイズ (電子工学)

電子工学におけるノイズ

電子工学におけるノイズ（雑音）は、電気信号の予測できない変動を指し、すべての電気回路に存在します。主に無作為に発生するこの雑音は、多様な原因によって引き起こされます。ノイズは通常防ぐことが困難であり、特に熱雑音やショットノイズは物理的な法則に起因しているため、無視できない存在とされています。

ノイズの種類

熱雑音

熱雑音はジョンソン・ナイキスト・ノイズとも呼ばれ、電気伝導体内の電荷担体の無作為な動きによって生成されます。これは、抵抗器や他の電子部品が発生する雑音で、特定の電圧による影響を受けずに常に存在します。熱雑音はその特性上、ほぼホワイトノイズに分類され、周波数全域にわたって均等にエネルギーが分布しています。具体的には、熱雑音のRMS 電圧は次のように表されます。

$$v_{n} = \sqrt{4k_{B}TR\Delta f}$$

ここで、$k_{B}$はボルツマン定数、$T$は絶対温度、$R$は抵抗値を示します。高感度機器においては、熱雑音を抑えるために機器が冷却される場合もあります。

ショットノイズ

ショットノイズは、電流の統計的変動によって生じるもので、電荷が離散的に流れることに起因します。この雑音も防ぐのが難しいものであり、電気伝導素子において常に発生します。

フリッカノイズ

フリッカノイズ（1/fノイズ）は、高周波数になるにつれて小さくなるピンクノイズの一種で、様々な電子素子で見られます。この雑音は、特に直流成分と強く関連しています。

バーストノイズ

バーストノイズは、数百ミリボルトの範囲で急激な電圧変化が起こるもので、予測できないタイミングで発生します。このため、音響回路において突発的な音が聞こえることがあります。

アバランシェノイズ

アバランシェノイズは、接合ダイオードが特定の条件で動作される際に生じ、自由電子が急増することで発生します。この現象により、電流は不安定となり、雑音となります。

ノイズの定量化

ノイズのレベルは、一般的に電力やRMS電圧、平均平方誤差 (MSE) で表されます。また、雑音の特性を示す指標としてSN比（信号対雑音比）などがあり、これは特にデジタル通信において重要な役割を果たします。
ノイズは確率過程であり、その性質は周波数によって変化します。ノイズ信号は一般的に有効な情報信号に重畳すると考えられ、このためデータ通信における信号品質の指標は重要です。

ノイズの応用

一方で、ノイズには散発的に有用な側面もあります。たとえば、ノイズを乱数生成に利用したり、デジタル信号処理におけるディザ技術で役立てている例もあります。ディザは、信号品質の改善を図るために用いられ、特に量子化エラーを低減させる手法として知られています。

ノイズは、電子工学において避け難い要素である一方、扱い方によっては有効に活用できる特性も持ち合わせています。そのため、ノイズを理解し、適切に管理することは、電子機器の設計や運用において非常に重要です。

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