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¿Qué hace que el ruido sea heteroscedástico?

Trabajo en el campo de la espectroscopia, por ejemplo RMN y FT-IR. Para ambos instrumentos, el consejo es procesar los datos para compensar la heteroscedasticidad, es decir, el ruido que aumenta a medida que aumenta la señal. Centrémonos en la RMN: el receptor de la RMN es un pequeño alambre en forma de solenoide (de unos 5 mm de diámetro) que actúa como antena para captar la señal de los espines nucleares en desintegración. La respuesta de la antena es captada por un ADC. Todo el experimento se realiza en un campo magnético fuerte e idealmente homogéneo.

Me pregunto, en general, ¿cómo sabemos en esta situación que el ruido aumentará cuando aumente la señal? Podría ser útil tener un contraejemplo de algún instrumento en el que el ruido sea constante independientemente del tamaño de la señal (ruido homoscedástico). Sé muy poco de EE, así que espero una explicación bastante sencilla. Si la respuesta es algo parecido a "en el mundo real las cosas son siempre heteroscedásticas", tal vez alguien podría incluir algunos de los factores que contribuyen al ruido.

Actualización 27 de marzo de 2022

Aunque no responde directamente a la pregunta que he planteado, he encontrado un artículo con mucha información sobre las fuentes de ruido en la RMN. Véase ici . El mismo grupo dispone de una interfaz web para jugar con los cálculos, véase ici .

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NuSkooler Puntos 2679

Los portadores que cruzan los cruces presentan RUIDO DE DISPARO, proporcional a \$\sqrt { 2 q I_B}\$ donde \$I_B\$ es la corriente (número de portadores por unidad de tiempo) que circula por la unión.

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ozmank Puntos 127

Añadido

El ruido térmico se parece a las corrientes de Foucault del viento y el agua en la naturaleza, pero en electrónica es el mismo efecto de los electrones que chocan entre sí, llamado movimiento browniano. Existe el Ruido Blanco que es igual energía por unidad de ancho de banda como la "línea de base de hierba" en un Analizador de Espectro con un escáner de ancho de banda fijo. De esto obtenemos una integración de 1/2 orden o ruido de raíz cuadrada en audio que llamamos l "ruido rosa" para obtener -3dB / octava y "ruido marrón" es -6dB/octava como un filtro paso bajo de 1er orden. A partir de las ondas de fotones y las corrientes de partículas, a través de una frontera, obtenemos Ruido de disparo . En Op Amps, lo llamamos Popcorn Noise porque suena así. que es igual que el ruido aleatorio de descarga de partículas PD en un dieléctrico de alta tensión por impurezas. Definieron el pseudo-ancho de banda de ruido en las pruebas de la FCC utilizadas en los Analizadores de Espectro, basándose en el ancho de banda de radio de 8kHz durante la Primera Guerra Mundial, porque utilizaban radios para conducir y detectar los débiles sonidos corona del ruido de DP de los aisladores de alta tensión con fugas que requerían limpieza o reparación. Cuando era "realmente" malo ruido DP externa continua, se llama "corona" y los canales de radio AM zumbarían al pasar por debajo de las líneas aéreas.

  • Esto me recuerda cuando era niño y conducía hasta las arenas de cuarzo y sílice de la playa Victoria, en el lago Winnipeg. Conducir por debajo de las líneas de alta tensión siempre interferir con Zumbido armónico de 60 Hz en la radio AM Pero estas perturbaciones se han "limpiado ahora" con mejores especificaciones de fuga y aislantes de porcelana o vidrio, por lo que la AM está más libre de ruido, excepto cuando se produce una tormenta eléctrica a cientos de kilómetros de distancia.

  • Incluso se ha eliminado el ruido de encendido del motor al pasar de cables de encendido de cobre a cables de encendido con resistencia de carbono de 50 kohmios para reducir la corriente de arco que no es necesaria para encender la mezcla de aire y combustible. Esto es similar al Ruido Solar del ruido masivo del plasma coronal, el mismo que la Descarga Parcial y causa voltajes extremadamente altos inducidos durante la Máxima Solar, Efectos Carrington cada dos siglos. Una de las frecuencias de resonancia magnética de la Tierra modula la "magnetosfera" con esta corriente de ruido solar ( y Resonancia Schumann ) que provocan arcos en las líneas eléctricas y hacen estallar los frontales de los satélites, si no se protegen de esta interferencia extrema de ondas gamma.

El promediado reduce el ruido térmico en el número de muestras \$\dfrac{1}{\sqrt{ N}}\$ pero sólo si es aleatorio. Esto es similar a la conversión de ruido marrón o a la integración o filtrado de paso bajo (LPF) de primer orden en un intervalo fijo de tiempo o bin.

No estoy familiarizado con el uso del término heteroscedástico pero que cierto describe el ruido electrónico de muchas fuentes. Somos conscientes de muchas fuentes de ruido que aumentan tales como ruido térmico aumenta con la temperatura y el Ruido de Descarga Parcial aumenta con la tensión acercándose a la tensión de ruptura. También sabemos que la corriente de ruido del diodo Zener aumenta con la corriente debido al aumento de la temperatura, pero aumenta con la corriente baja debido a una mayor resistencia* para convertir las corrientes bajas en una tensión mayor. También sabemos que las resistencias de carbono (C) hacen más ruido térmico que las de plástico. resistencias de película metálica (MF) que se prefieren hoy en día por su bajo coste, bajo nivel de ruido y precisión.

para responder al comentario de @tobalt * creo, más corriente causa calor y que causa más ruido, pero al mismo tiempo, exige una resistencia mucho más pequeña para detectar la corriente, así que usamos la corriente más baja para medir o crear ruido en un Zener y así lograr la mayor ganancia de voltaje de R (V=IR).

Luego tenemos el ruido de ráfaga de algún transitorio EMI creado por la diafonía electromagnética. También se denomina ruido telegráfico aleatorio (RTN), ruido de palomitas de maíz, ruido de impulsos, ruido biestable.

Otro tipo de ruido, a veces denominado ruido de aliasing , como la diferencia de frecuencia que suena cuando dos personas tararean a la misma frecuencia. La falta de este ruido de frecuencia de diferencia puede causar errores en los contadores al medir frecuencias del mismo bajo ruido que el oscilador interno de cristal horneado en los contadores de frecuencia de precisión. Debido a este bajo ruido el OCXO interno de 10 MHZ no tiene suficiente dithering o incertidumbre para medir con precisión y no hay promediado de ...999.999 ...000.000 para obtener los 12 o más dígitos de precisión de frecuencia y por lo tanto hay que añadir algo de ruido aleatorio para medirla. Este bajo ruido de fase es inherente a los cristales de corte SC y son 6 órdenes de magnitud menos ruidosos que los típicos cristales de corte SC estándar utilizados en todas partes en ordenadores, teléfonos y radios. (También son 4 órdenes de magnitud más caros), pero son más estables cuando se mantienen en un horno a una temperatura constante en torno a 85'C.

Por favor, edite si encuentra algún error menor. Estoy seguro de que me olvidé de algo y no debe ser más ejemplos de heteroruido.

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Kuba Ober Puntos 1474

Para ambos instrumentos, el consejo es procesar los datos para compensar la heteroscedasticidad, es decir, el ruido que aumenta a medida que aumenta la señal.

La heteroscedasticidad es un fenómeno habitual cada vez que se amplifica una señal ruidosa: la relación señal/ruido relativa sigue siendo prácticamente la misma, por lo que la absoluto La amplitud del ruido en la salida es mayor cuanto mayor es la señal.

En el caso de la RMN, el ruido procede del proceso físico subyacente y de las diversas incertidumbres que le inyectamos a través del estímulo que aplicamos. El nivel de señal en la medición resultante es una medida de la amplificación inherente aplicada al parámetro del proceso que se está midiendo. Si el ruido del proceso es mayor que el ruido de fondo del sistema de medición, se observará un aumento del ruido proporcional a la amplitud de la señal.

El fenómeno puede parecer fuera de lugar, ya que en muchos casos el ruido de fondo del dispositivo de medición es el factor limitante, por ejemplo en sistemas preamplificadores de baja tensión, y el ruido inherente a la física del proceso medido es menor. Pero siempre que se observa heteroscedasticidad a pesar de medir una señal mayor sin cambiar el nivel de ruido del dispositivo de medición, entonces sabemos que el ruido procede de la propia fuente de la señal: sólo la hemos amplificado más, junto con el resto de la señal.

Hay muchas más cosas sobre el modelado del ruido de la RMN de las que no sé casi nada, pero la heteroscedasticidad es un fenómeno común que siempre apunta al mismo culpable: el sistema físico real que medimos y al que potencialmente inyectamos ruido/incertidumbre.

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OK, aquí hay otra oportunidad de responder. En RMN, tenemos dos situaciones distintas. Si tenemos mucha muestra, entonces el ruido de la muestra se vuelve importante y dominará sobre el equipo, de lo contrario, sólo es dominante el ruido generado en el equipo. Así, en el caso anterior, la señal y el ruido dependen de la muestra, por lo que aumentan juntos. En el segundo, el ruido seguirá siendo independiente de la cantidad de muestra.

Francamente, nunca he encontrado la terminología "heteroscedástico", al menos no entre la gente de RMN.

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