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0461. Rumore termico e quantico

rumoreSpesso, quando leggo su osservazioni di stelle o segnali provenienti da uno strumento di ricerca, sento parlare di rumore e di segnale. Cosa si intende esattamente per rumore?
Marco

 

 

 

sem_esperto_gialloSi definisce genericamente rumore del segnale (elettrico o acustico) la parte del segnale (captato in un ricevitore o registrato da uno strumento) sovrapposta al segnale reale. Ci si aspetta generalmente che il segnale reale abbia una caratterizzazione, nel tempo o nelle sue frequenze componenti, abbastanza ben definita, mentre il rumore è distribuito con continuità in un intervallo assai più ampio. La principale sorgente di rumore, praticamente onnipresente, è il rumore termico, dovuto all’agitazione termica di nuclei ed elettroni nella materia a temperature superiori allo zero assoluto. Il moto degli atomi determina un rumore acustico, che si estende su tutte le frequenze di oscillazione possibili nel sistema; il moto degli elettroni, soprattutto nei materiali (semiconduttori e conduttori) in cui una parte di essi è libera di muoversi, determina un rumore elettrico. Poiché la rivelazione di un segnale elettrico è generalmente il passo finale di una misura fisica, appare evidente che il rumore elettrico limita la precisione ottenibile.

Una caratteristica peculiare del rumore termico è che la potenza associata ad esso cresce proporzionalmente con la temperatura assoluta, quindi una tecnica efficace per ridurre il rumore consiste nel far funzionare i dispositivi di rivelazione e i primi stadi di amplificazione elettronica a temperature molto basse. Quasi sempre il limite di precisione imposto dal rumore termico non è praticamente raggiungibile perché nell’ambiente e negli stessi componenti di un circuito si trovano molte altre sorgenti di disturbi che si sommano incoerentemente determinando un effetto simile al rumore termico. Anche quando il rumore termico sia assente, come nei casi di trasmissione di dati su fibra ottica (tramite onde luminose generate da LED o LASER) è comunque presente il rumore quantico. Esso dipende dal processo di trasformazione del segnale da ottico a elettrico effettuata alla fine della fibra ottica. La relazione tra i fotoni entranti nel trasduttore opto-elettronico e la corrente in uscita dipende dal un fenomeno quantistico: la formazione di elettroni/lacune nel materiale semiconduttore e di cui è composto il trasduttore. Questa formazione è un processo probabilistico distribuito attorno a un valore medio. Il rumore quantico relativo, cioè le fluttuazioni attorno al valore medio, dipendono dall’inverso della potenza del segnale ricevuto.

Risposta a cura di F. Fabbri

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