„Rauschen (Physik)“ – Versionsunterschied

▲Unter '''Rauschen''' (auch ''Untergrund'' genannt) versteht die [[Physik]] allgemein eine [[Störungstheorie|Störgröße]] mit breitem unspezifischem [[Frequenzspektrum]]. Es kann daher als eine [[Interferenz (Physik)|Überlagerung]] vieler harmonischer [[Schwingung]]en oder [[Welle]]n mit unterschiedlicher [[Amplitude]] und [[Frequenz]] beziehungsweise [[Wellenlänge]] interpretiert werden.

▲Bei der Übertragung von Nachrichtensignalen ist das Rauschen meistens die größte Störquelle. Die Rauschquellen treten dabei im gesamten Übertragungssystem, also im Sender, im Empfänger und auf dem Übertragungsweg auf. Man unterscheidet dabei zwischen der durch äußere und innere Rauschquellen erzeugten Rauschleistung. Die Qualität der Signale wird in der [[Nachrichtentechnik]] mit dem sogenannten [[Signal-Rausch-Verhältnis]] (Störabstand) angegeben.

▲Rauschen wurde als physikalisches Phänomen, nämlich als messbare unregelmäßige Stromschwankungen, erstmals [[1918]] durch [[Walter Schottky]] beschrieben ([[Annalen der Physik]] 57 (1918),541). Macht man diese Stromschwankungen nach Verstärkung über einen Lautsprecher hörbar, so erklingt ein typisches Geräusch, das dem Phänomen auch den Namen gab. Inzwischen wird der Begriff „Rauschen“ entsprechend obenstehender Definition sehr viel allgemeiner verwendet.

▲Zu den Pionieren der experimentellen und theoretischen Untersuchung physikalischer Rauschprozesse gehören neben anderen [[John Bertrand Johnson]] (1887–1970), der zehn Jahre nach Schottkys Entdeckung das thermische Rauschen experimentell verifizierte, und nach dem in der angelsächsischen Literatur das thermische Rauschen als [[Johnson-Rauschen]] benannt wird, und [[Harry Nyquist]], der ebenfalls zehn Jahre nach Schottkys erster [[Wissenschaftliche Veröffentlichung|Veröffentlichung]] eine Modellvorstellung der [[Spektrale Leistungsdichte|spektralen Leistungsdichte]] des thermischen Rauschens entwickelte.

▲Außer nach physikalischen Ursachen klassifiziert man Rauschen auch nach den Parametern der [[Stochastischer Prozess|stochastischen Prozesse]], oder nach messtechnisch erfassbaren Größen, die das Rauschen beschreiben. Zu Letzteren gehört beispielsweise die spektrale Leistungsdichte, das ist die Leistung pro (infinitesimal kleiner) Bandbreite. Sie ist im Allgemeinen von der [[Frequenz]] abhängig.

▲Die spektrale Leistungsdichte im engeren Sinne oder die physikalische spektrale Leistungsdichte wird als [[Fourier-Transformation|Fouriertransformierte]] der [[Kreuzkorrelation]]sfunktion zweier Zufallsprozesse gewonnen. Dabei muss die Kreuzkorrelationsfunktion beim Argument 0 eine physikalisch sinnvolle Leistung sein. (Beispiel: Kreuzkorrelationsfunktion aus Rauschstrom durch einen und Rauschspannung über einem ohmschen Widerstand).

▲Rauschprozesse mit konstanter spektraler Rauschleistungsdichte im weiteren Sinne nennt man ''[[Weißes Rauschen]]'' in Analogie zum weißen Licht, das alle Spektren (Frequenzen) des sichtbaren Lichtes mit gleicher Leistung (Intensität) umfasst. In der Realität können Rauschprozesse mit konstanter spektraler Rauschleistungsdichte nicht existieren, da sie eine unendlich große Leistung transportieren müssten. Allerdings gibt es physikalische Rauschprozesse, deren spektrale Rauschleistungsdichte auch im engeren Sinne in einem bestimmten mehr oder weniger großen Frequenzband praktisch konstant sind. Der Einfachheit halber bezeichnet man diese Prozesse dann auch als ''weiß''. Dazu gehört beispielsweise das [[Thermisches Rauschen|thermische Rauschen]] und das Schrotstromrauschen. Häufig kommt dieses ''quasi-weiße'' Rauschen dadurch zustande, dass von einem ''Gaußschen Rauschen'', also einem Rauschen, bei dem die Amplituden der einzelnen Frequenzen [[Gauß-Verteilung|gaußverteilt]] sind, nur ein Ausschnitt betrachtet wird oder relevant ist, in dem die [[Amplitude]]n praktisch als [[Physikalische Konstante|konstant]] angesehen werden können. ''Weißes Rauschen'' ist nicht [[selbstähnlich]].

▲Einen Rauschprozess mit einer spektralen Leistungsdichte, die in einem für die Praxis relevanten Frequenzbereich deutlich von einem konstanten Wert abweicht, nennt man „farbiges Rauschen“. Im Gegensatz zu „Weißem Rauschen“ gibt es allerdings keine allgemein als verbindlich anerkannte Definition für verschiedene Typen farbiger Rauschleistungsspektren. So findet man beispielsweise die Bezeichnung „Rosa Rauschen“ sowohl für Rauschen mit einer spektralen Rauschleistungsdichte, die umgekehrt proportional zur Frequenz abfällt, als auch für Rauschprozesse mit einer spektralen Rauschleistungsdichte, die umgekehrt proportional zum Quadrat der Frequenz abfällt.

▲Um dieser Mehrdeutigkeit zu entgehen, wird in wissenschaftlichen Veröffentlichungen für Prozesse, deren spektrale Rauschleistungsdichte umgekehrt proportional zur Frequenz geht, der Begriff „[[1/f-Rauschen]]“ verwendet. Manchmal wird das [[1/f²-Rauschen]] in Unterscheidung zum „Rosa Rauschen“ als „Rotes Rauschen“ bezeichnet, da die Amplituden im niederfrequenten Bereich (beim roten Licht) höher sind. Dies entspräche in einem Lichtspektrum einer Verschiebung der Farbe ins Rote. Einige Quellen sprechen in diesem Zusammenhang auch von „Braunem Rauschen“.