ในการเลือกวิธีการลดสัญญาณรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์ จำเป็นต้องวัดปริมาณและระบุแหล่งที่มาของสัญญาณรบกวนนั้นก่อน

สัญญาณรบกวนความร้อน หรือที่รู้จักกันในชื่อสัญญาณรบกวนไนควิสต์หรือจอห์นสัน-ไนควิสต์ เป็นพื้นฐานของสัญญาณรบกวนหลายประเภท มันเกิดขึ้นในวัตถุทุกชนิดตราบใดที่วัตถุนั้นมีคุณสมบัติเป็นตัวนำ คุณสามารถสังเกตผลกระทบของสัญญาณรบกวนนี้ได้โดยการเชื่อมต่อมัลติมิเตอร์ดิจิทัลที่มีความไวสูงในโหมดโวลต์เข้ากับขั้วของตัวต้านทานที่วางอยู่บนพื้นผิวที่เป็นฉนวน เมื่อตั้งค่าในช่วงที่มีความไวเพียงพอ เครื่องมือจะแสดงค่าที่ผันผวนอย่างรวดเร็ว ช่างไฟฟ้าเรียกสิ่งนี้ว่า “แรงดันไฟฟ้าล่องหน” ทันทีที่คุณจับสัญญาณจากแหล่งจ่ายไฟที่มีกระแสไฟฟ้า การแสดงผลที่วุ่นวายก็จะคงที่และแสดงค่าที่ถูกต้อง

กำลังเสียงรบกวนจากตัวต้านทานขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความต้านทาน และแบนด์วิดท์ที่กำหนดไว้ สมการเสียงรบกวน RMS ของ Johnson-Nyquist สำหรับตัวต้านทาน R มีรูปแบบทั่วไปดังนี้

โดยที่: k = ค่าคงที่ของ Boltzmann (J/K), T = อุณหภูมิในหน่วยเคลวิน (°C + 273.16), R = ความต้านทานในหน่วยโอห์ม และ B = แบนด์วิดท์ อุณหภูมิห้องอยู่ที่ประมาณ 290 K

สำหรับตัวต้านทาน 1 kΩ ที่อุณหภูมิห้องและแบนด์วิดท์ 10 kHz แรงดันไฟฟ้าของสัญญาณรบกวนแบบ RMS คือ 400 nV กฎง่ายๆ ที่ควรจำไว้คือ ตัวต้านทาน 50 Ω ที่แบนด์วิดท์ 1 Hz จะสอดคล้องกับสัญญาณรบกวน 1 nV ที่อุณหภูมิห้อง

ตัวต้านทานในวงจรลัดวงจรจะกระจายพลังงานสัญญาณรบกวน P เท่ากับ
P = V² ^/ R = 4 kTΔf

สัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นที่ตัวต้านทานสามารถถ่ายทอดไปยังส่วนที่เหลือของวงจรได้ การถ่ายทอดพลังงานสัญญาณรบกวนสูงสุดเกิดขึ้นเมื่อมีการจับคู่ความต้านทาน เมื่อความต้านทานสมมูลของเธเวนินของวงจรที่เหลือเท่ากับความต้านทานที่ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวน ในกรณีนี้ ตัวต้านทานแต่ละตัวจะกระจายสัญญาณรบกวนทั้งในตัวมันเองและในตัวต้านทานอีกตัวหนึ่ง เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายเพียงครึ่งเดียวตกคร่อมตัวต้านทานใดตัวต้านทานหนึ่ง พลังงานสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้น P ในหน่วยวัตต์จึงคำนวณได้จาก P = 4 k TΔf สิ่งที่ควรทราบคือปริมาณนี้ไม่ขึ้นอยู่กับความต้านทานที่ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวน

เราสังเกตเห็นสัญญาณรบกวนความร้อนนี้ได้บนหน้าจอแสดงผลของเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมหรือออสซิลโลสโคปในโหมด FFT หรือ RF มันปรากฏเป็นเส้นริ้วแนวนอนที่ผันผวนอย่างรวดเร็วอยู่ใกล้ด้านล่างของหน้าจอ นี่คือสิ่งที่เรียกว่าสัญญาณรบกวนพื้นฐานของเครื่องมือ และต้องเห็นด้วยตาจึงจะเข้าใจได้

ความถี่ของสัญญาณรบกวนจากความร้อน นอกจากจะเป็นแบบสุ่มแล้ว ยังไม่มีขอบเขตจำกัด ซึ่งหมายความว่า เว้นแต่จะมีการจำกัดอย่างจงใจ แบนด์วิดท์ก็จะไม่มีที่สิ้นสุด บนออสซิลโลสโคป สัญญาณรบกวนนี้ทำให้เส้นกราฟไม่ชัด และสัญญาณที่มีสัญญาณรบกวนมากพอจะทำให้การทำงานหยุดชะงักและในที่สุดก็จะไม่สามารถจดจำได้ มีเทคนิคการลดสัญญาณรบกวนแบบง่ายๆ คือ การลดแบนด์วิดท์ชั่วคราว (ไม่ใช่ของเครื่องมือ แต่ของสัญญาณ) ตัวอย่างเช่น หากแบนด์วิดท์ของสัญญาณออสซิลโลสโคป 1 GHz ถูกจำกัดไว้ที่ 50 MHz ขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดของสัญญาณและแอมพลิจูดของสัญญาณรบกวนที่เพิ่มเข้ามา อาจไม่มีผลกระทบต่อการแสดงผลมากนัก แต่ถ้าคุณลดแบนด์วิดท์ลงเหลือ 20 MHz คุณอาจจะเห็นสัญญาณที่ชัดเจนขึ้น ซึ่งมีลักษณะเป็นเส้นกราฟที่บาง การเปลี่ยนแปลงนั้นเห็นได้ชัดเจนมากขึ้นในโดเมนความถี่ อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดของเทคนิคนี้คือ คุณไม่สามารถลดแบนด์วิดท์ลงต่ำกว่าความต้องการของแอปพลิเคชันที่ต้องการได้

ขออธิบายเกี่ยวกับค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์สักเล็กน้อย: ในสมการจะใช้สัญลักษณ์ k แทนค่าคงที่นี้ มันคือปัจจัยสัดส่วนที่เชื่อมโยงพลังงานจลน์สัมพัทธ์เฉลี่ยของอนุภาคในแก๊สกับอุณหภูมิทางเทอร์โมไดนามิกของแก๊สนั้น กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ เมื่อความร้อนเพิ่มขึ้น พลังงานจลน์และอุณหภูมิทางเทอร์โมไดนามิกก็จะเพิ่มขึ้น แต่ค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์จะคงที่ ค่าคงที่นี้ยังมีบทบาทในกฎการแผ่รังสีของวัตถุดำของพลังค์ด้วย ค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์นั้นมีขนาดเล็กมาก ปัจจุบันค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์ถูกกำหนดไว้ที่ 1.380649×10⁻²³ ^J /K

แอมพลิจูดของสัญญาณรบกวนความร้อนขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของตัวนำในหน่วยองศาเคลวินและแบนด์วิดท์ทั้งหมดที่กำลังตรวจสอบ กำลังของสัญญาณรบกวน N (ในหน่วยวัตต์) คำนวณได้จากสูตร N = kTΔf โดยที่ Δf คือแบนด์วิดท์ในหน่วยเฮิรตซ์ T คืออุณหภูมิในหน่วยองศาเคลวิน และ k คือค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์ สัญญาณรบกวนที่ได้จะมีหน่วยเป็นจูล/วินาที หรือวัตต์ ในการแปลงกำลังของสัญญาณรบกวนเป็นเดซิเบล·วัตต์ ให้ใช้ค่าลอการิทึมของกำลังของสัญญาณรบกวนในหน่วยวัตต์ 10 เท่า สมมติว่าอุณหภูมิห้องคือ 290 K สมการระดับสัญญาณรบกวนแบบนอร์มาไลซ์ (Δf = แบนด์วิดท์ 1 เฮิรตซ์) คือ

ระดับเสียงรบกวนพื้นฐาน = 10log(kTΔf) = 10×log(1.38×10 ^-23 ×290˚×1 Hz) = -203.9 dBW⁄Hz

ถัดไป ในการแปลงจากเดซิวัตต์ (dBWatts) เป็นมิลลิวัตต์ (dBm) ให้เพิ่มค่านี้ขึ้นอีก 30 dB:

–203.9 dBW/Hz + 30 dB = -173.9 dBm/Hz

นี่คือปริมาณกำลังเสียงรบกวนในช่วงความถี่ 1 เฮิรตซ์

มีหลายวิธีในการวัดค่าตัวเลขสัญญาณรบกวนของวงจร วิธีหนึ่งเรียกว่าวิธีอัตราขยาย ในการใช้วิธีนี้ จำเป็นต้องทราบอัตราขยายของอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ วิธีอัตราขยายใช้คำจำกัดความของตัวประกอบสัญญาณรบกวนดังนี้:

ปัจจัยเสียงรบกวน = (กำลังเสียงรบกวนรวมของเอาต์พุต) / (เสียงรบกวนของเอาต์พุตที่เกิดจากแหล่งสัญญาณอินพุตเท่านั้น)

ในที่นี้ สัญญาณรบกวนเกิดขึ้นจากสองปัจจัย ปัจจัยแรกคือการรบกวนที่เข้ามายังอินพุตของระบบ (โดยทั่วไปคือระบบ RF) ปัจจัยที่สองมาจากการผันผวนแบบสุ่มของตัวพา (เช่น การเคลื่อนที่แบบบราวน์) ในวงจรเนื่องจากผลกระทบจากความร้อน เริ่มต้นด้วย P = 4 k TΔf เราจะได้ความหนาแน่นของกำลังที่อุณหภูมิห้องเท่ากับ -174 dBm/Hz จากนั้นค่าตัวเลขสัญญาณรบกวน N _F ของอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ (DUT) คือ N _F = P _NOUT – (-174 dBm/Hz + 10log(Δf) + Gain) โดยที่ P _NOUTคือกำลังสัญญาณรบกวนเอาต์พุตทั้งหมดที่วัดได้ -174 dBm/Hz คือความหนาแน่นของสัญญาณรบกวนของสภาพแวดล้อมที่ 290°K Δf คือแบนด์วิดท์ของช่วงความถี่ที่สนใจ และ Gain คืออัตราขยายของระบบ

จากนั้น อินพุตของอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ (DUT) จะต่อกับอิมพีแดนซ์เฉพาะ (50 Ω สำหรับการใช้งาน RF ส่วนใหญ่, 75 Ω สำหรับวิดีโอ/เคเบิล) วิธีหนึ่งในการวัดสัญญาณรบกวนแบบสุ่มในวงจรคือการใช้แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนที่ป้อนสัญญาณรบกวนที่ทราบค่าเข้าไปในวงจรที่สนใจ หากคุณทราบกำลังของสัญญาณรบกวนที่เข้าสู่วงจรที่สนใจ คุณสามารถวัดเอาต์พุตและคำนวณส่วนประกอบของสัญญาณรบกวนของอุปกรณ์ต่อวงจร ซึ่งเรียกว่าค่าตัวเลขสัญญาณรบกวน (noise figure) จากนั้นจะวัดความหนาแน่นของกำลังสัญญาณรบกวนเอาต์พุตด้วยเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม

สัญญาณรบกวนจากความร้อนก็มีส่วนในการคำนวณความไวของเครื่องรับสัญญาณ RF ด้วยเช่นกัน ความไวสามารถคำนวณได้หากทราบค่าตัวเลขสัญญาณรบกวน (NF) แบนด์วิดท์สัญญาณรบกวนเทียบเท่า (ENBW) และอัตราส่วนคลื่นพาหะต่อสัญญาณรบกวน (C/N) ที่จำเป็นในการสร้างคุณภาพสัญญาณที่ต้องการ:

ความไวของตัวรับสัญญาณ = 10 × log(kTB) + NF + C / N

สมการนี้กำหนดกำลังสัญญาณในหน่วยเดบิตต่อวัตต์ที่ปรากฏที่ตัวถอดรหัสสัญญาณสำหรับอัตราส่วนคลื่นพาหะต่อสัญญาณรบกวนที่ต้องการ

เครื่องมือหลายประเภทสามารถวัดกำลังเสียงรบกวนและค่าตัวเลขเสียงรบกวนได้ เครื่องวัดค่าตัวเลขเสียงรบกวนมีลักษณะคล้ายกับเครื่องรับสัญญาณ RF ทั่วไป แต่มีแบนด์วิดท์ที่ควบคุมได้และตัวตรวจจับระดับกำลังที่แม่นยำ

นอกจากนี้ยังสามารถใช้โวลต์มิเตอร์กระแสสลับหรือพาวเวอร์มิเตอร์ในการวัดกำลังไฟฟ้ารบกวนของอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบได้ ในกรณีที่ใช้โวลต์มิเตอร์ จะใช้ค่าแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้และโหลดของวงจรในการคำนวณกำลังไฟฟ้ารบกวน

นอกจากนี้ยังสามารถวัดระดับสัญญาณรบกวนอย่างคร่าวๆ ได้โดยใช้เครื่องออสซิลโลสโคปที่มีโหมดแสดงผลแบบฟอสฟอร์เพอร์ซิสแตนซ์ เทคนิคนี้ใช้ช่องสัญญาณสองช่องที่เชื่อมต่อกับจุดเดียวกันในวงจร ตั้งค่าช่องสัญญาณทั้งสองให้มีช่วงการวัดเดียวกันและอยู่ในโหมดกวาดสลับกัน วางเส้นกราฟทั้งสองในแนวตั้งจนกระทั่งมีแถบสีดำอยู่ระหว่างเส้นกราฟ จากนั้นปรับตำแหน่งของช่องสัญญาณหนึ่งจนกระทั่งสัญญาณรบกวนที่ทับซ้อนกันจากเส้นกราฟทั้งสองเติมเต็มแถบสีดำนั้น

ขั้นตอนต่อไป ให้ตัดสัญญาณรบกวนออกจากอินพุตทั้งสองของออสซิโลสโคปโดยการต่อทั้งสองช่องสัญญาณลงกราวด์ จากนั้นวัดระยะห่าง (ในหน่วยตารางต่อช่อง) ระหว่างเส้นกราฟพื้นฐานที่ปราศจากสัญญาณรบกวน คูณระยะห่างด้วยค่าโวลต์/ช่อง เพื่อหาค่าสัญญาณรบกวนแบบสุ่มของวงจร

สุดท้ายนี้ ยังมีเสียงรบกวนประเภทอื่นๆ ที่เกิดขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อีกบ้าง เสียงรบกวนแบบช็อต (Shot noise) โดยทั่วไปถือว่าแตกต่างจากเสียงรบกวนจากความร้อน (Thermal noise) แม้ว่ามันจะมีพื้นฐานมาจากความผันผวนของความร้อนที่ไม่เป็นคาบเช่นกัน เสียงรบกวนแบบช็อตเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านช่องว่าง อิเล็กตรอนและตัวนำประจุอื่นๆ จะมาถึงในช่วงเวลาสุ่มและไม่ต่อเนื่อง เสียงรบกวนนี้เปรียบได้กับเสียงฝนตกลงบนหลังคาสังกะสี

ค่าเฉลี่ยกำลังสองของสัญญาณรบกวนช็อต σ _iแสดงอยู่ในสมการชอตต์กี:

‍
โดยที่ I คือกระแสไฟฟ้ากระแสตรง หน่วยเป็นแอมแปร์; q คือประจุของอิเล็กตรอน; และ ΔB คือแบนด์วิดท์ หน่วยเป็นเฮิรตซ์

สัญญาณรบกวนแบบช็อตเกิดขึ้นในหลอดสุญญากาศเนื่องจากอิเล็กตรอนออกจากแคโทดอย่างสุ่มและจึงมาถึงแอโนดอย่างสุ่มเช่นกัน ตัวต้านทานและตัวนำอื่นๆ ไม่แสดงสัญญาณรบกวนแบบช็อตเนื่องจากตัวนำประจุเคลื่อนที่แบบกระจายไปทั่วอุปกรณ์โดยไม่มีเวลาการมาถึงที่แน่นอน สัญญาณรบกวนแบบช็อตจะสังเกตเห็นได้เฉพาะในตัวต้านทานขนาดเล็กที่สุดเท่านั้น ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าความยาวการกระเจิงของอิเล็กตรอน

สัญญาณรบกวนแบบฟลิกเกอร์ (i/f) เป็นลักษณะเฉพาะของสัญญาณที่มีแอมพลิจูดลดลงที่ความถี่สูงขึ้น เรียกอีกอย่างว่าสัญญาณรบกวนสีชมพู เป็นคุณสมบัติของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ซึ่งเนื่องจากอิมพีแดนซ์อนุกรมและความจุขนาน จึงลดทอนความถี่สูง เชื่อกันว่าสัญญาณรบกวนแบบฟลิกเกอร์เกิดจากตัวนำประจุที่ถูกดักจับและปล่อยออกมาอย่างสุ่มระหว่างส่วนต่อประสานของวัสดุสองชนิด ปรากฏการณ์นี้เป็นเชิงเส้นในตัวต้านทานและ FET แต่ไม่เป็นเชิงเส้นใน BJT และไดโอด สัญญาณรบกวนแบบฟลิกเกอร์เป็นฟังก์ชันของความสม่ำเสมอของวัสดุ ปริมาตร กระแส และความถี่ ในทางกลับกัน สัญญาณรบกวนแบบป๊อปคอร์นเป็นสัดส่วนกับ 1/f² ^และเกี่ยวข้องกับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ไม่ได้มาตรฐาน ปรากฏเป็นชุดของสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำ

สัญญาณรบกวนแบบเป็นจังหวะ (Burst noise) ถูกสังเกตพบครั้งแรกในไดโอดแบบจุดสัมผัส และพบเห็นได้ในวงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการ 709 สาเหตุทั่วไปคือการจับและการปล่อยประจุที่บริเวณรอยต่อของฟิล์ม

สัญญาณรบกวนจากเวลาการเดินทางของอิเล็กตรอนเกิดขึ้นเมื่อเวลาที่อิเล็กตรอนใช้ในการเดินทางจากตัวส่งสัญญาณไปยังตัวรับในทรานซิสเตอร์ใกล้เคียงกับคาบของสัญญาณที่กำลังประมวลผล โดยส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นที่ความถี่สูงกว่า VHF ซึ่งที่ความถี่ดังกล่าว ความต้านทานสัญญาณรบกวนของทรานซิสเตอร์จะลดลงจนแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนอื่นๆ ถูกบดบัง