что такое белый шум в радиотехнике

Что такое белый шум и помогает ли он заснуть?

Существует несколько распространенных заблуждений относительно того, что представляет собой белый шум. Часто люди думают о нем как о телевизионных помехах или безмятежном звуке дождя, но технически это не одно и то же. Чтобы произвести белый шум, каждая частота, которую слышит человеческое ухо, воспроизводится в случайном порядке с одинаковой амплитудой, что и приводит к звуку «шшш». Интересно, что свое название белый шум получил потому, что аналогичен белому свету, который представляет собой смесь всех видимых длин волн света. Так как белый шум обладает способностью заглушать потенциально отвлекающие звуки, жители шумных мегаполисов используют его чтобы быстрее заснуть, а ученые не первый год пытаются выяснить, как белый шум влияет на концентрацию внимания, память, сон и когнитивные способности. Ряд исследований, проведенных в 1990 году, показал, что белый шум может быть эффективен при бессоннице. Последующие исследования, проведенные в 2015 и 2017 году подтвердили полученные ранее выводы, а также показали, что белый шум может улучшить качество сна у некоторых пациентов.

Впервые концепция белого шума была использована инженерами для тестирования аудиооборудования.

Что такое белый шум?

При измерении звуковых волн «частотой» обозначают скорость вибрации волны в секунду, в то время как «амплитудой» (или «мощностью») обозначают громкость. Частота измеряется в герцах, а амплитуда – в децибелах. Связь между частотой и амплитудой звуковой волны используется для определения различных «цветов» шума, которые имеют общие структурные свойства с соответствующими световыми волнами того же названия.

Наиболее известным свойством белого шума является его способность маскировать разрушительные для спящего мозга резкие звуки, что особенно актуально для жителей мегаполисов и тех, кто борется с тревогой или другими психическими расстройствами, из-за которых нередко возникают трудности с засыпанием. К счастью, найти подходящий для сна белый шум сегодня несложно, как говорится «just google it», а ученые занимаются изучением влияния белого шума на сон начиная с 1960-х.

Белый шум помогает замаскировать звуки большого города.

Так, в ходе небольшого исследования, опубликованного в 2016 году в журнале Caring Sciences, было обнаружено, что белый шум улучшает продолжительность сна пациентов в отделениях коронарной терапии в среднем с менее чем пяти часов сна до более чем семи. В этом исследовании были изучены данные 60 пациентов, которые находились в больнице в течение трех дней. Белый шум использовался для маскировки больничных звуков, которые нарушали сон пациента. В целом многие исследователи сходятся во мнении о том, что белый шум – еще один инструмент, который можно использовать для улучшения качества сна и его поддержания, а также для достижения физического и психического здоровья.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш канал в Google News, чтобы не пропустить ничего интересного!

Каких еще цветов бывает шум?

В дополнение к белому шуму существуют различные «цвета» шума, например розовый, коричневый и даже синий шум. Отличия этих шумов от белого шума заключаются в амплитуде используемых частот. Более того, другие цвета будут иметь разные амплитуды звука в разных частотных диапазонах. Например, розовый шум имеет более громкие низкие частоты и более мягкие высокие частоты. А так как человеческое ухо особенно чувствительно к высоким частотам, многие находят розовый шум более приятным, чем белый.

Как пишет издание Insider, результаты ряда проведенных исследований показывают, что розовый шум действительно может снизить активность мозговых волн. Так как мозг становится менее активным на начальных стадиях цикла сна, помогая этому процессу, розовый шум может помочь сократить время засыпания, увеличить продолжительность сна и улучшить его общее качество.

В розовом шуме каждый интервал октавы несет равное количество энергии шума. Розовый шум — один из самых распространенных сигналов в биологических системах.

В работе 2017 года исследователи изучали качество сна и память 13 пожилых людей в возрасте 60-84 лет. Как показали полученные результаты, прослушивание розового шума во время сна не только помогало участникам заснуть, но и поддерживало их сон в той достаточной степени, чтобы у испытуемых наблюдались улучшения в работе памяти.

Розовый или белый шум – что лучше?

Исследователи не дают однозначного ответа на вопрос о том, что розовый шум лучше белого. Наиболее очевидная причина – отсутствие исследований, сравнивающих пользу этих двух типов звуков. В конце концов лучший цвет шума для сна зависит от личных предпочтений. Может быть вы и вовсе засыпаете в тишине. А вот если вы находите высокочастотные звуки слишком резкими, то розовый или красный шум может вам скорее всего придется по душе. В свою очередь любителям более высокочастотных звуков, исследователи советуют послушать белый или синий шум. А вы засыпаете в тишине или предпочитаете белый шум? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье.

Источник

Помехи и шумы в радиотехнике и связи

Радиотехнические сигналы всегда присутствуют в электрических цепях совместно с помехами. В любом канале связи полезный сигнал искажается при передаче и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются как искажения, вносимые самим каналом, так и различного вида помехи, воздействующие на сиг­нал. С искажениями, вносимыми каналом связи, можно бороться. Помехи же заранее не известны и поэтому практически не могут быть полностью устранены. Борьба с помехами (шумами) является одной из главных проблем радиотехники.

В общем случае под радиотехнической помехой понимают случайный сиг­нал, однородный с полезным и действующий одновременно с ним. Для систем радиосвязи помеха – это любое случайное воздействие на полезный сигнал, ухудшающее верность воспроизведения передаваемых сообщений.

Классификация радиотехнических помех возможна по ряду признаков. Помехи разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам.

По месту возникновенияпомехи делят на внешние и внутренние. Причиной возникновения внешнихпомех являются природные и космические процессы (например, атмосферные помехи, связанные, прежде всего, с грозовыми разрядами, космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах), работа различ­ных технических устройств (промышленных установок, электротранспорта, порождающих так называемые индустриальные помехи).

Распространенным видом внешних помех являются помехи от посторонних радио- и телевизионных станций, кана­лов и систем военного назначения.

Внутренниепомехи обусловлены процессами, происходящими при работе самого радиотехнического устройства. Практически в любом диапазоне частот всегда имеют место внутренние шумы радиотехнических устройств, обуслов­ленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, резисторах и других элементах аппаратуры. Эти помехи особенно сказывают­ся при радиосвязи в диапазонах дециметровых и менее волн (ультракоротких волн), где другие помехи невелики.

Помехи естественного происхождения часто называют шумом.

Возможны два сочетания полезного сигнала и шума. Если шум просто накладывается на сигнал (суммируется с сигналом), то помеха называется аддитивной. Если же шум нелинейным образом входит в структуру сигнала, то помеха называется мультипликативной (от англ. multiplication ‘умножение’).

В реальных каналах обычно имеют место и аддитивные, и мультиплика­тивные помехи.

По основным свойствам аддитивные помехи можно разделить на три класса: сосредоточенные по спектру (узкополосные помехи), импульсные помехи (сосредоточенные во времени) и флуктуационные помехи, не огра­ниченные ни во времени, ни по спектру.

Сосредоточенными по спектру называют помехи, основная часть мощности которых находится на отдельных участках диапазона частот, меньших полосы пропускания радиотехнической системы. Помехи, наводимые в радиотех­нических цепях от промышленной силовой сети частотой 50 Гц, являются сосредоточенными.

Импульсной помехой называется регулярная, или хаотическая последова­тельность импульсных сигналов, однородных с полезным сигналом. Ис­точниками таких помех являются цифровые и коммутирующие элементы ра­диотехнических цепей или работающего рядом с ними устройства. Импульс­ные и сосредоточенные помехи часто называют наводками.

Флуктуационная помеха (флуктуационный шум) представляет собой случай­ный процесс с нормальным распределением — гауссовский процесс.

Между сигналом и помехой отсутствует принципиальное различие. Более того, они существуют в единстве, хотя и противоположны по своему действию. Так, излучение радиопередатчика является полезным сигналом для приемника, которому предназначено это излучение, и помехой для всех других приемников.

Электромагнитное излучение звезд является одной из причин космического шума в диапазоне сверхвысоких частот и поэтому является помехой для систем радиосвязи. С другой стороны, это излучение является полезным сигналом, по которому определяют некоторые физико-химические свойства звезд.

5.Вероятностное описание шумов

Шумы и ряд реальных радиотехнических сигналов носят случайный характер. Их описание производится статистическими (вероятностными) законами.

Рассмотрим случайный сигнал (процесс), описываемый некоторой случайной функцией Х (t). Конкретный вид этой функции х₁ (t), х₂ (t), …, х_i (t), наблюдаемый в конкретном эксперименте, называется реализацией случайного сигнала.

Конкретная реализация сигнала является детерминированной и может быть представлена графически в виде некоторой функциональной зависимости.

Совокупность всех возможных реализаций случайного сигнала называется ансамблем.

Выберем некоторый отсчет времени t₁ (рис. 82). Совокупность мгновенных значений всех реализаций в момент времени t₁ также будет некоторой случайной величиной Х (t₁), называемой сечением случайного сигнала. У случайного сигнала можно взять бесконечное множество сечений. Случайный сигнал в сечении может принимать любые значения из области допустимых значений.

Рис. 82. Реализация случайного сигнала

и закон распределения ансамбля реализаций в сечении

Одной из важнейших характеристик случайной величины Х (t₁) является одномерная плотность распределения вероятности, или, проще, плотности вероятности, обозначаемая р (х, t₁)(рис. 82).

С использованием плотностей вероятности случайного сигнала в сечении (сечениях) определяются его основные числовые характеристики:

— математическое ожидание (среднее статистическое по ансамблю реализаций значение), равное для стационарных сигналов постоянной составляющей

;

— дисперсия, характеризующая среднюю удельную мощность флуктуаций переменной составляющей случайного сигнала вокруг статистического среднего (степень разброса значений случайного сигнала относительно статистического среднего). Величина σ_х(t) = называется среднеквадратическим отклонением случайного сигнала и имеет смысл действующего значения случайного сигнала на единичном сопротивлении:

;

— корреляционная функция, определяющая меру линейной связи между сечениями t₁ и t₂, а при t₁= t₂ численно равная дисперсии:

.

Корреляционная функция, в свою очередь, однозначно определяет спектральную плотность случайного сигнала. Последняя равна результату преобразования Фурье от корреляционной функции.

Спектральная плотность случайного сигнала характеризует распределение средней удельной мощности флуктуаций случайного сигнала по частотной оси (показывает, какая часть дисперсии приходится на единицу полосы частот).

Наиболее простой случай, рассматриваемый в радиотехнике – стационарный случайный сигнал. Один из вариантов определения стационарности сигнала – отсутствие зависимости математического ожидания и дисперсии случайного сигнала от времени, а корреляционной функции – от расстояния между сечениями:

;

; .

Внутри класса стационарных случайных сигналов существует подкласс эргодических случайных сигналов, для которых числовые характеристики могут быть определены путем усреднения по времени одной бесконечно длинной реализации. При этом характеристики равны результатам, полученным путем усреднения по ансамблю реализаций:

;

;

.

В качестве основной модели шумов в радиотехнике применяется гауссовский белый шум (белый по аналогии с белым цветом), что вполне обоснованно. Сразу следует заметить, что белый шум на практике не может быть реализован, так как для его создания требуется источник, способный обеспечить бесконечное значение дисперсии шума. Поэтому гауссовский белый шум является удобной математически абстрактной моделью шума. Вместе с тем большинство действующих в радиотехнических цепях шумов хорошо согласуются с этой моделью.

По определению белый шум является стационарным случайным процессом (но никогда не сигналом) с нулевым средним, спектральная плотность которого равномерна на всей частотной оси (корреляционная функция имеет вид дельта-функции и существует только в точке τ = t₂ – t₁ = 0, так что белый шум является абсолютно некоррелированным случайным процессом; иначе говоря, между любыми двумя сечениями белого шума отсутствует линейная связь) (рис. 83).

Дата добавления: 2018-02-15 ; просмотров: 2656 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Выспаться на выходных: как белый шум помогает отдыхать взрослым и мониторит качество сна детей

Рассказываем, как белый шум помогает расслабиться и кто разрабатывает решения на его основе.

Особенности белого шума

Шум вредит здоровью человека, особенно во время сна. Звуки громкостью 40–55 дБ — это разговорная речь или тарахтение холодильника — делают сон большинства людей беспокойным. По данным Всемирной организации здравоохранения, раздражители громкостью 55 дБ повышают риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний и могут привести к бессоннице.

Но есть и шум, который может оказывать положительный эффект — например, белый шум. Он представляет собой стационарный сигнал с равномерно распределенными высокими, средними и низкими частотами. Поэтому он хорошо маскирует акустические раздражители. О технологиях, использующих эту особенность для повышения качества сна, мы расскажем далее.

Для младенцев

Генераторы розового шума задействуют для расслабления и лечения звона в ушах (тиннитуса). Также ряд педиатров рекомендует включать белый шум младенцам — считается, что он помогает им быстрее заснуть. Поэтому инженеры из Вашингтонского университета представили умный динамик для этих целей — BreathJunior. Дополнительно он мониторит дыхание и движение детей во сне.

Динамик излучает специальным образом сгенерированный белый шум. Он отражается от тела ребенка и улавливается микрофонами. Затем система определяет, разницу в двух сигналах и делает выводы о состоянии младенца — как часто он дышит и ворочается. Инженеры говорят, что гаджет успешно фиксирует дыхание от 20 до 60 вдохов в минуту.

Также система выявляет аномалии при дыхании, например апноэ. Её тестировали в отделении интенсивной терапии новорождённых, и в целом врачи и эксперты отзываются о проекте хорошо. Но не обошлось без опасений за безопасность персональных данных. Резиденты Hacker News отмечают, что технология скорее всего будет работать с наиболее популярными смарт-спикерами, представленными на рынке, поэтому говорить о гарантиях защищенности данных не приходится.

И для взрослых

Взрослые тоже могут «спать как младенцы». Есть специальные приложения, которые генерируют шум. Например, MyNoise предлагает подстроить звук по собственному вкусу — как на эквалайзере. Также можно отметить сервис Weather for the Blind — его автор настроил систему, которая в режиме реального времени превращает данные о погоде (скорость ветра, температуру, осадки) в особенный шум. Засыпать под него может быть куда приятнее, чем под вой сигнализаций. Плейлисты с белым шумом можно найти и на стриминговых сервисах — например, Spotify или Deezer.

Фото Dane Deaner / Unsplash

В этой области также разрабатывают специальные акустические устройства. В прошлом году Bose анонсировали новые наушники для сна. В них не получится послушать музыку — только шум и успокаивающие треки. В памяти устройства есть десять композиций с частотой, блокирующей шум трафика за окном и храп. Аналогичное устройство представила компания Kokoon — их наушники могут генерировать не только белый, но и другие типы цветных шумов, способствующих расслаблению.

Обратная сторона медали

В медицинском сообществе можно встретить мнение, что длительное прослушивание белого шума может испортить слух. Также есть информация, что белый шум вредит работе мозга. Специалисты говорят, что мозг реагирует отрицательно, когда регулярно получает случайную информацию. Хотя другие исследования говорят, что белый шум не оказывает негативного влияния на организм и нервную систему человека, если громкость звука не превышает 50 дБ (стр.2).

Фото Sean Benesh / Unsplash

Если отойти от дискуссии о вреде или пользе белого шума, остается еще один факт — он подходит не всем. Кто-то просто не может спать с постоянным фоновым шипением. Одним из таких людей является писатель и колумнист The Guardian Рик Самаддер (Rhik Samadder). Он говорит, что белый шум вызывает у него чувство, словно его заперли в старом перегревающемся компьютере. Поэтому Рик предпочитает засыпать под монотонные голоса людей или музыку.

Эксперты из Национального фонда сна в США говорят, что лучше отдать предпочтение музыке — медленным композициям (60–80 BPM). Чаще всего это классика или джаз. Но в любом случае жанр каждый выбирает самостоятельно. Есть люди, которые быстро засыпают под металл или хард-рок, кому-то нравится слушать фолк — все зависит от личных предпочтений.

Что почитать в нашем «Мире Hi-Fi»:

Какие гаджеты помогут снизить окружающий шум и «поймать» концентрацию
Какой шум помогает отдыхать, а еще — предотвращает потерю слуха при серьезных ДТП
Крепче спать и лучше работать — как музыка помогает бороться с шумом

Наушники на работе: что говорят исследования
Музыка для эффективной работы: что нужно знать
Экосистема звука: что это такое и как с ней работать

Источник

Виды шумов отношение сигнал/шум

Случайный процесс колеблется вокруг какого-то среднего значения, и значение это называется математическим ожиданием. Насколько сильно значение случайного процесса могут отличаться от мат. ожидания описывает параметр дисперсия — мера разброса случайной величины. Также в качестве меры разброса употребляется среднеквадратичное отклонение, также именуемое стандартным отклонением, значение его квадратный корень из дисперсии.

На рисунке представлены нормальные распределения четырех случайных процессов с разными значениями математического ожидания и дисперсии. В случае большего значения дисперсии, колокол Гауссовского распределения более широкий и низкий, что говорит о большей вероятности выпадения экстремальных значений и меньшей вероятности значений близких к мат. ожиданию.

В качестве меры скорости изменения случайного процесса может использоваться автокорреляционная функция, или просто корреляционная функция. Она описывает зависимость взаимосвязи сигнала с его сдвинутой во времени копией от величины временного сдвига.

В случае нулевого сдвига, сигналы полностью совпадают и значение автокорреляционной функции максимально. При увеличении расхождения это значение уменьшается. Причем для слабо изменяющихся во времени сигналов спад функции происходит медленнее чем для быстро изменяющихся.

Математическое ожидание, дисперсия, автокорреляционная функция это примеры численных характеристик, которыми можно описать случайный процесс. Законы изменения реальных физических величин весьма сложны, и для того чтобы мы могли описывать их доступным нам математическим аппаратом, нам часто приходится делать определенные допущения.

При описании сигналов случайными процессами, мы часто оговариваем свойства стационарности и эргодичности. Стационарным называется процесс в том случае, когда его плотность вероятности не зависит от временного сечения, то есть его статистические характеристики, мат ожидания, дисперсия, корреляционная функция не будут зависеть от времени. Стационарный процесс считается эргодическим, если для определения его характеристик вместо усреднения по ансамблю реализации, мы можем использовать усреднение по времени одной реализации, на практике нам обычно доступна только одна реализация случайного процесса.

Спектральная плотность мощности

Спектральная плотность мощности по определению это распределение мощности сигнала в зависимости от частоты, то есть мощность приходящаяся на единичный интервал частоты. Мы можем рассматривать спектральную плотность мощности как еще одну меру скорости изменения случайного процесса, она связана с корреляционной функции случайного процесса, теоремы Винера — Хинчина — Колмагорова.

Рассмотрим два синусоидальных сигнала разной частоты. Частотные области этих сигналов будут представлены двумя линиями. Положение линии на оси x говорит о величине частоты синусоиды, а длина линии, о ее мощности или амплитуде. Случайные процессы мы также можем рассматривать, как кусочки и отрезки различных синусоид, разной амплитуды и фазы, меняющейся быстро или медленно.

Спектр медленно изменяющегося случайного процесса содержит больше синусоид или спектральных компонент в левой части оси f, то есть в зоне низких частот. В то время как спектр быстро меняющегося процесса содержит больше компонент, большей амплитуды в правой части частотной оси.

Белый шум

Случайный процесс у которого область частот заполнено равномерно называется белым шумом.

Белый шум это стационарный случайный процесс, с равномерно распределенной спектральной плотностью мощности.

В таком процессе присутствуют компоненты изменяющиеся быстро, медленно, средне и ни одна из них не преобладает над другими.

Белый шум получил свое название по аналогии со спектром белого света. Известно, что белый цвет получается в результате сложения всех других цветов видимого диапазона.

Если в качестве аналогии и далее использовать видимый диапазон длин волн, то определенным цветом можно обозначить преобладание в спектре сигнала определенных компонент.

Если наложить красный светофильтр, то мы пропустим только более длинные волны, или более низкие частоты.

Если наложим синий фильтр, получим сигнал с относительно высокими частотами в спектре.

Цветовое обозначение частотного состава используется для описания так называемых цветных шумов, они никак не привязаны к какому-либо конкретному частотному диапазону и различаются только видом их спектральной плотности мощности. Цветные шумы, в том числе и белый шум это модели шумов, приближающие некоторые физические явления.

К примеру, процессы генерации и рекомбинации носителей заряда в цепях постоянного тока приводят к фликкер-шуму, который достаточно успешно описывается моделью розового шума. Красный шум описывает броуновское движение, модель серого шума используется в псих акустике и так далее.

Аддитивный белый гауссовский шум

Аддитивный белый гауссовский шум:

На системы беспроводной связи и обработки сигналов воздействует множество разнообразных широкополосных шумов, не связанных друг с другом. По центральной предельной теореме, распределение их суммарного воздействия будет близко к нормальному, именно поэтому данная модель наиболее распространена в системах ЦОС и системах связи, и используется как модель канала передачи данных.

Отношение сигнал/шум

Шум в подобных системах конечно же является нежелательным явлением. Одной из мер качества системы является отношение сигнал-шум. Это безразмерная величина равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума.

Отношение сигнал-шум часто измеряется в децибелах, для разных систем приемлемые значения этого отношения могут сильно отличаться, но в любом случае, чем выше этот показатель, тем лучше. Одна из задач цифровой обработки сигналов повышение отношения сигнал-шум, существуют разные способы повышения это фильтрация и усреднение.

Усреднение или когерентное накопление

Если мы сложим два одинаковых сигнала по фазе, то амплитуда результирующего сигнала будет вдвое больше. Положительные отсчёты сложатся с положительными, отрицательные с отрицательными.

Но сложить две реализации случайного процесса в фазе не получится, в каких-то точках произойдет усиление, каких-то ослабление шума. Проще говоря, при усреднении амплитуда шума не растет.

Накопление сигнала с шумом в matlab

Динамический диапазон и чувствительность

Динамический диапазон это характеристика системы, представляющая логарифм отношения максимального и минимального возможных значений величины входного параметра. Сверху этот диапазон обычно ограничен порогом искажений, а снизу так называемым шумовым дном, или чувствительностью.

Чувствительность это численный параметр равный уровню сигнала различимого системы над шумами, если у системы хорошая чувствительность, значит она меньше восприимчива к внешним помехам, имеет меньший уровень собственных шумов, и за счет этого способны различать сигналы малой энергетики.

Источник