散粒噪聲是一種在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中的讀出噪聲，主要由于電路中的電子或光學(xué)儀器中的光子數(shù)量有限，引發(fā)數(shù)據(jù)讀取中的統(tǒng)計(jì)漲落。這種噪聲在電子學(xué)、通信和基礎(chǔ)物理領(lǐng)域具有重要意義。散粒噪聲的強(qiáng)度隨著平均電流或平均光強(qiáng)度的增加而增加，但信號(hào)本身的強(qiáng)度增加速度更快，從而提升信噪比。
簡(jiǎn)介
散粒效應(yīng)噪聲是Schottky于1918年研究此類噪聲時(shí),用子彈射入靶子時(shí)所產(chǎn)生的噪聲命名的。因此,它又稱為霰彈噪聲或顆粒噪聲。在電化學(xué)研究中,當(dāng)電流流過(guò)被測(cè)體系時(shí),如果被測(cè)體系的局部平衡仍沒(méi)有被破壞,此時(shí)被測(cè)體系的散粒效應(yīng)噪聲可以忽略不計(jì)。
散粒噪聲是半導(dǎo)體的載體密度變化引起的噪聲，也稱為散彈噪聲或顆粒噪聲。它是由形成電流的載流子的分散性造成的，在大多數(shù)半導(dǎo)體器件中，它是主要的噪聲來(lái)源。在低頻和中頻下，散粒噪聲與頻率無(wú)關(guān)（白噪聲），而在高頻時(shí)，散粒噪聲譜變得與頻率有關(guān)。散粒噪聲有白噪聲的特性，其電流均方值與電子電荷量q、總的直流電流Idc和帶寬delt(f)成正比關(guān)系：I^2=2*q*Idc*delt(f)。
散粒噪聲的本質(zhì)在于，通過(guò)測(cè)量到的電流或光強(qiáng)度能夠給出收集到的電子或光子的平均數(shù)量，但無(wú)法得知任意時(shí)刻實(shí)際收集到的電子或光子數(shù)量。其分布按平均值遵循泊松分布。在大量粒子存在時(shí)信號(hào)中的散粒噪聲會(huì)呈現(xiàn)正態(tài)分布，其標(biāo)準(zhǔn)差等于平均粒子數(shù)的平方根，信噪比為平均粒子數(shù)的平方根。
來(lái)源
20世紀(jì)初，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)放大器增益很大時(shí)，被放大的微弱信號(hào)將被放大器自身產(chǎn)生的噪聲所淹沒(méi)。1918年，W．肖特基（W．Schottky)首次闡明了這種噪聲的機(jī)理，他認(rèn)為真空管的陽(yáng)極電流是由陰極發(fā)射的離散電子所形成，每個(gè)電子到達(dá)陽(yáng)極的時(shí)間是隨機(jī)的。在給定的溫度下，真空管熱陰極每秒發(fā)射的電子平均數(shù)目是常數(shù)。不過(guò)，電子發(fā)射的實(shí)際數(shù)目是隨時(shí)間變化和不能預(yù)測(cè)的，如果將時(shí)間軸劃分為足夠多的等間隔的小區(qū)間，則每個(gè)小區(qū)間內(nèi)電子發(fā)射數(shù)目不是常數(shù)而 是隨機(jī)變量。因此，發(fā)射電子形成的電流并不是固定不變的，而是在一個(gè)平均值上起伏變化。
由于總電流實(shí)際上是由大量單個(gè)電子單獨(dú)作用的總結(jié)果。從陰極發(fā)射的每個(gè)電子可以認(rèn)為是獨(dú)立出現(xiàn)的，而且1A的平均電流相當(dāng)于1秒內(nèi)通過(guò)的電子數(shù)達(dá)6×1018個(gè)。所以，總電流是大量的獨(dú)立小電流之和，根據(jù)概率論的中心極限定量，總電流是一個(gè)高斯（正態(tài)）隨機(jī)過(guò)程。從頻域上看，在非常寬的頻率范圍內(nèi)（通常認(rèn)為不超過(guò)100MHz），其噪聲電流的功率譜密度是一個(gè)恒定值，即具有白色譜的特性，所以散粒噪聲是高斯白噪聲中的一種主要類型。它存在于有源器件之中，如電真空管、晶體管、隧道二極管、行波管、變參器件、集成電路等，所以又稱為有源噪聲。
物理領(lǐng)域
散粒噪聲是一種實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中的讀出噪聲，當(dāng)觀測(cè)中數(shù)量有限的攜帶能量的粒子（例如電路中的電子或光學(xué)儀器中的光子）數(shù)量少到能夠引發(fā)數(shù)據(jù)讀取中出現(xiàn)可觀測(cè)到的統(tǒng)計(jì)漲落，這種讀出的統(tǒng)計(jì)漲落被稱作散粒噪聲。這種噪聲在電子學(xué)、通信和基礎(chǔ)物理領(lǐng)域是相當(dāng)重要的概念。
這種噪聲的強(qiáng)度隨著平均電流或平均光強(qiáng)度增加，但是由于電流強(qiáng)度或光強(qiáng)度的增加會(huì)使信號(hào)本身的強(qiáng)度增加相對(duì)散粒噪聲的增加更快，增加電流強(qiáng)度或光強(qiáng)度實(shí)際是提升了信噪比。
解釋
直觀解釋
散粒噪聲的存在是由于光或電流是由運(yùn)動(dòng)中的離散且量子化的波包構(gòu)成。例如，一束激光由量子化的波包或光子構(gòu)成，當(dāng)功率降低到每秒只有幾個(gè)光子照射到墻上時(shí)，這些光子的隨機(jī)出射時(shí)間導(dǎo)致的量子漲落就是散粒噪聲。
電子器件中的散粒噪聲
在電子器件中，散粒噪聲來(lái)自于導(dǎo)體中電流的隨機(jī)漲落，即攜帶電流的離散載體電子。這在P-N結(jié)中是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，而在金屬導(dǎo)線中，這些隨機(jī)漲落會(huì)通過(guò)電子之間的互相關(guān)性而消除。散粒噪聲是一個(gè)泊松過(guò)程，載流子使噪聲遵循泊松分布，其漲落的標(biāo)準(zhǔn)差為σi=√(2*q*I*Δf)，其中q是基本電荷，Δf是測(cè)量噪聲所覆蓋的頻域帶寬，I是通過(guò)器件的平均電流。
量子光學(xué)中的散粒噪聲
在量子光學(xué)中，散粒噪聲來(lái)源于光子的漲落，也就是電磁場(chǎng)能量的量子化。散粒噪聲是量子噪聲中主要的部分。
散粒噪聲不僅能夠在少量光子的場(chǎng)合使用光電倍增管測(cè)量，也能夠在強(qiáng)光場(chǎng)合使用光電二極管并以高時(shí)間分辨率的示波器測(cè)量。由于光電流和光強(qiáng)（光量子數(shù)）成正比，電磁場(chǎng)能量的漲落經(jīng)常能夠包含在對(duì)電流的測(cè)量中。
對(duì)于相干光源如激光，散粒噪聲的大小和光強(qiáng)的平方根成正比。
引力波探測(cè)器中的散粒噪聲
在引力波探測(cè)器中，散粒噪聲的分析尤為重要，因?yàn)楣庾拥竭_(dá)光接收器的行為是一個(gè)泊松過(guò)程，它們的隨機(jī)漲落可能會(huì)淹沒(méi)真正的引力波信號(hào)或形成偽信號(hào)。散粒噪聲和光子數(shù)量的平方根成反比，積累的光子數(shù)量越多，得到的干涉信號(hào)就越平滑。提高靈敏度的方法包括提高激光功率，但受限于采樣定理，一次積累光子的時(shí)間不能太長(zhǎng)，以避免頻率混疊。
預(yù)防措施
為了減少通信中散粒噪聲的影響，一般是在無(wú)線電接收機(jī)的前置級(jí)采用低噪聲器件，或者是將前置放大器放置在開(kāi)爾文很低的容器中工作。這一措施，在接收很微弱信號(hào)的衛(wèi)星通信中經(jīng)常采用。
參考資料 >