Rauschgenerator

Ein Rauschgenerator ist eine spezielle Form von Signalgenerator und eine Form einer elektronischen Schaltung, die Rauschen als zufällige Signalschwankungen erzeugt. Rauschgeneratoren werden in verschiedenen Bereichen verwendet, wie in der Messtechnik zur Erzeugung von Test-Signalen, in der elektronischen Musik und der Sprachsynthese, und als Basis für die Erzeugung von Zufallszahlen, wie sie in der Kryptographie benötigt werden.

Rauschquellen

Zur Erzeugung von Rauschen dienen verschiedenartige Rauschquellen, welche sich unter anderem nach der Art der spektralen Verteilung des Rauschens, der Bandbreite des Rauschsignals, der technischen Realisierbarkeit und der Vermeidung von vorhersagbaren Signalanteilen, beispielsweise Einstreuungen von periodischen Signalen wie der Netzfrequenz, unterscheiden. Manche Rauschquellen, wie der radioaktive Zerfall instabiler Atomkerne, sind zwar theoretisch als ideale Rauschquelle verwendbar, haben aber in praktischen Anwendung wegen der damit verbundenen Gefahren keine Bedeutung.

Thermische Rauschquellen

Thermische Rauschquellen, beispielsweise an speziellen geheizten Widerständen abgegriffene Rauschspannung, liefern normalverteiltes weißes Rauschen. Da die thermische Rauschspannung nur sehr kleine Signalspannungen liefert, beispielsweise bei Zimmertemperatur von 23°C an einem Widerstand mit 1 kΩ und einer Bandbreite von 1 kHz eine effektive Spannung von rund 100 nV, und diese Rauschspannung durch andere periodische und unerwünschte Signalanteile wie beispielsweise Schwankungen der Versorgungsspannung überlagert ist, stellen gute thermische Rauschquellen in der Praxis elektrisch komplizierte Aufbauten dar.

Dioden

Rauschquelle mit Diode

Technisch leichter als thermische Rauschquellen herzustellen sind Rauschquellen auf der Basis von Dioden, welche in dieser Anwendung auch als Rauschdioden bezeichnet werden. Der Frequenzbereich kann bei entsprechenden Generatorschaltungen von 20 Hz bis 40 GHz reichen und ist im Regelfall nicht spektral weiß, sondern wird durch das so genannte Schrotrauschen beschrieben.

Alternativ, aber mit identen Prinzip, können statt der Diode im Generator auch die Basis-Emitter-Strecke von Bipolartransistoren verwendet werden. Die älteste Bauform von Diodenrauschquellen sind Röhrendioden mit Wolfram-Heizfaden, die in Sättigung betrieben werden.

Die Signale werden anschließend verstärkt und spektral in Filtern je nach Anwendung gefiltert bzw. das Rauschsignal über Analog-Digital-Umsetzer für die weitere Signalverarbeitung aufbereitet. Damit lässt sich in guter Näherung in technischen genutzten Frequenzbereichen auch spektral weißes Rauschen herstellen.

Gasentladungslampe

Für technisch sehr hochfrequente Rauschquellen im Bereich der Mikrowellen bis zu Frequenzen um 200 GHz werden Gasentladungsröhren eingesetzt, welche zur Auskopplung des Rauschsignals in einen Hohlleiter untergebracht sind. Anwendungen dieser Rauschgeneratoren liegen im Bereich der Hochfrequenzmesstechnik.

Glimmentladung

Für sehr niederfrequentes Rauschen im unteren Hz-Bereich kann die Glimmentladung, beispielsweise in Form von Glimmlampen, Anwendung finden.

Rauschgeneratoren in der Audiotechnik

Weißes Rauschen enthält für jedes Frequenzintervall die gleiche Leistungsdichte was bei Ausgabe über einen Lautsprecher über die gesamte Frequenzbereich eine idente Lautstärke bzw. akustische Energie (dB/Fq) ergibt. Das rosa Rauschen ist spektral gewichtet und kann aus weißem Rauschen durch Filter gewonnen werden. Rosa Rauschen enthält bei akustischer Ausgabe pro Notenintervall das gleiche Lautheitsempfinden (dB/Halbton). Das führt dazu, dass rosa Rauschen etwas dumpfer klingt als weißes Rauschen. Weißes Rauschen wird z. B. in der Sprachsynthese für die Nachbildung von Zischlauten verwendet, rosa Rauschen z. B. für ein Brandungsgeräusch.

Um realistische Klänge zu erhalten, müssen die Grundformen weißes bzw. rosa Rauschen noch entsprechend gefiltert werden, dies entspricht einer spektraler Formung des Rauschsignals, z. B. mit einem oder mehreren Voltage Controlled Filtern.

Literatur

• Rudolf Müller: Rauschen. 2. Auflage. Springer, 2008, ISBN 978-3-540-51145-8.

Weblink

• RPG100, techn. Datenblatt eines True Random Generator auf Basis der Rauschquelle von Halbleiterdioden, abgefragt 1. Juli 2011, engl.