Ruis

Ruis is een willekeurige variatie in een signaal. Dikwijls is de vorm of statistische verdeling van ruis bekend, zoals bij radioactief verval dat de Poisson-verdeling volgt. Indien dit het geval is, zal men trachten het ruisniveau te bepalen aan de hand van de statistische verdeling. In het geval van radioactief verval is de SNR voor een signaal van n gemeten tellen.

Ruis ontstaat op verschillende niveaus; elk opeenvolgend proces heeft een bijdrage die bij de ruis van het bekeken signaal wordt bijgeteld:

• door fysische processen, zoals de beweging van elektronen in geleidend materiaal.
• door onnauwkeurigheid van het meettoestel zelf
• door beperktheid van algoritmes die men gebruikt om het signaal te analyseren vooraleer men het bekijkt

Men maakt onderscheid tussen de volgende soorten ruis op grond van hun ontstaanswijze:

• hagelruis in halfgeleiders.
• thermische ruis in weerstanden.

Verder wordt ruis onderscheiden op grond van de verdeling van het ruisvermogen over het spectrum:

• witte ruis is breedbandige ruis: de gemiddelde amplitude is voor alle frequenties gelijk.
• roze ruis is ruis waarbij voor hogere frequenties de gemiddelde amplitude afneemt.
• blauwe ruis is ruis waarbij voor hogere frequenties de gemiddelde amplitude toeneemt.

[bewerk] Invloed

Indien er veel ruis aanwezig is, dan wordt het moeilijk het te bestuderen signaal te onderscheiden van de ruisachtergrond en worden kleine piekjes of kleine objecten onzichtbaar. Daarom definieert men de SNR (signaal-ruis verhouding, of Eng. Signal to Noise Ratio). Een signaal is te onderscheiden als het groter is dan 3 maal de standaarddeviatie van de ruis.

Men kan ook de invloed van ruis in een signaal of beeld verminderen, door het herhaald opmeten van het te bestuderen signaal, en vervolgens de n verschillende metingen uitmiddelt. Hierdoor daalt de invloed van ruis op het uitgemiddelde signaal met een factor .

Bij 2-dimensionale beelden zoals foto's worden kleine verschillen in kleur en intensiteit onzichtbaar bij een hoger ruisniveau. Om kleine objecten van de achtergrond te kunnen onderscheiden is echter een hoog contrast nodig. Daarom gebruikt men soms ook de contrast-ruis verhouding: CNR.

[bewerk] Ruisfiltering

Ruis (oncontroleerbare variaties, niet identiek terugkomend bij een volgende meting) en gewenst signaal (vastliggend, identiek terugkomend bij een volgende meting) hebben andere karakteristieken. Op basis hiervan kan men een onderscheid maken en trachten ruis weg te filteren door middel van geavanceerde technieken, zoals Fourieranalyse en wavelettransformatie. Veelal zal men het signaal eerst omzetten naar het frequentiedomein met behulp van een fourier-transformatie. Men veronderstelt dat ruis gekenmerkt wordt door zeer snelle variaties oftewel hoge frequenties in het signaal. Men kan dan met behulp van filters de invloed van deze hoge frequenties verminderen, of ze eventueel gewoon gelijk stellen aan nul. Als derde en laatste stap voert men dan een inverse fourier-transformatie uit om het signaal terug om te zetten naar het oorspronkelijke tijdsdomein.

[bewerk] Toepassingen van ruisfiltering

Toepassingen van dergelijke technieken vindt men onder andere in de grafische industrie voor het herstellen van oude films of het verwijderen van storende achtergronden. In de telecommunicatietechniek stoort ruis - welhaast per definitie - de overdracht van een signaal. Daarom zal men er naar streven om ruis weg te filteren. Soms kan dat met heel eenvoudige middelen: een 78-toerenplaat klinkt al een stuk beter als de hoge-tonenregelaar wordt teruggedraaid. Helaas gaat daarbij ook een deel gewenste informatie, signaal, verloren: met de ruis van de plaat verdwijnt ook de ruis van de snare drum. Daarom zijn er meer geavanceerde technieken, die gebaseerd zijn op Fourieranalyse en wavelettransformatie, ontwikkeld, die proberen om op een meer 'intelligente' manier het signaal van de ruis te scheiden. Wanneer er maar één opname beschikbaar is, levert dit nooit een 100% resultaat op: een ruisende plaat is dan niet van een ruisende drummer te onderscheiden. Wel is het zo dat ruis gekenmerkt wordt door een grillig, onvoorspelbaar verloop, zodat het gemakkelijker wordt om tot een betrouwbare reconstructie te komen als er bijvoorbeeld meerdere 78-toerenopnamen van dezelfde uitvoering beschikbaar zijn.

Ruis is veelal 'wit', dat wil zeggen: gelijkmatig verdeeld over het frequentiespectrum. Bij het verrichten van metingen aan (natuur-)verschijnselen kan het daarom bijvoorbeeld zinvol zijn om de meetapparatuur op een zo nauw mogelijke frequentieband in te stellen, als de onderzochte verschijnselen zich daartoe lenen. Dan wordt slechts de ruis waargenomen die zich binnen die frequentieband bevindt.

Ontwerpers van telecommunicatietechnieken hebben tot op zekere hoogte zelf in de hand hoe zij hun signaal vormgeven, opdat het optimaal van ruis te onderscheiden is. Dit gebeurt in beginsel altijd door een vorm van redundantie toe te passen. Redundantie maakt het mogelijk om over 'onbetrouwbare' transmissiekanalen die door ruis (of anderszins) gestoord worden toch met aan zekerheid grenzende waarschijnlijkheid betrouwbaar te communiceren. De bekendste vorm van redundantie vormen digitale technieken. Door af te spreken dat slechts de spreekwoordelijke enen en nullen in het signaal voorkomen kan de ontvanger besluiten dat een 0,9 of een 0,8 in een door ruis beschadigd signaal ook nog als een '1' moeten worden opgevat.

Deze methode heeft echter grenzen. Elk telecommunicatekanaal kent fysieke beperkingen, die door natuurkundige wetten worden gedicteerd. De maximale hoeveelheid informatie (uitgedrukt in bits per seconde) die theoretisch over een bepaald kanaal kan worden getransporteerd wordt volgens het theorema van Shannon bepaald door de (analoge) bandbreedte (uitgedrukt in trillingen per seconde, Hertz) en de signaal/ruis verhouding (een dimensieloos getal, vaak uitgedrukt in decibel). Met moderne modems, die krachtige processoren bevatten en geavanceerde algoritmen toepassen, kan het theoretische maximum steeds dichter worden benaderd. Met de 56 kbps V.90 standaard is de grens op een gewone gekozen telefoonlijn nu echter wel bereikt. ADSL wordt niet via telefooncentrales geschakeld en kent daarom andere limieten, maar ook ADSL heeft deze.

Ruis speelt bij uitstek een rol in de ruimtevaart, waar soms over miljarden kilometers wordt gecommuniceerd. Om de zeer zwakke signalen van sondes in de uithoeken van ons zonnestelsel nog in de achtergrondruis te kunnen gebruiken, moet een zeer lage transmissiesnelheid worden gekozen. Daarom duurt het uren om foto's van Jupiter en Mars over te seinen.