Signalrauschen

Signalrauschen bezeichnet unerwünschte Störsignale, die über dem eigentlichen Nutzsignal liegen und dessen Qualität oder Interpretierbarkeit beeinträchtigen. Rauschen entsteht in Sensoren, Messgeräten und Übertragungsketten durch thermische Bewegungen von Ladungsträgern, diskrete Ladungstransferevents (Shot noise), 1/f-Rauschen sowie durch Umweltstörungen oder Quantisierungsfehler in Analoger-Digital-Wandlern.

Statistisch wird Rauschen häufig als zufälliger Prozess modelliert. Das additive Rauschmodell ist verbreitet, wobei das additive weiße Gaußsche Rauschen (AWGN) ein häufiges Modell ist, das eine konstante spektrale Leistungsdichte besitzt. In der Praxis kann Rauschen auch farbig sein, z. B. 1/f-Rauschen, das mehr Gewicht in niedrigeren Frequenzen hat, oder durch Filter geformt wird.

Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) beschreibt die Güte eines Signals: SNR = P_signal / P_noise; in Dezibel wird es mit 10 log10 ausgedrückt. Höhere SNR-Werte bedeuten eine klarere Trennung von Signal und Hintergrundrauschen und ermöglichen größere Dynamikbereiche sowie höhere Datenraten.

Maßnahmen zur Reduktion von Signalrauschen umfassen eine sorgfältige Schaltungstechnik (niedrigrauschende Verstärker, gute Abschirmung und Erdung), Filtern und Bandbreitenbegrenzung, Averaging oder Oversampling, Impedanzanpassung sowie die Anwendung von Fehlerkorrektur in digitalen Systemen. In der Optik und Photonik spielen außerdem fundamentale Grenzgrößen wie der Shot noise eine Rolle.

Die Rauschcharakterisierung erfolgt durch Messungen der Leistungsdichtespektren oder des Rauschbodens, oft mit Spektrumanalysatoren oder PSD-Schätzungen. Rauschen begrenzt Transparenz, Empfindlichkeit und den maximal erreichbaren Datendurchsatz von Systemen.