Rauschgenerator

Ein Rauschgenerator ist eine spezielle Form eines Signalgenerators in Form einer elektronischen Schaltung, die Rauschen als zufällige Signalschwankung erzeugt. Rauschgeneratoren werden in verschiedenen Bereichen verwendet, wie in der Messtechnik zur Erzeugung von Test-Signalen, in der elektronischen Musik und der Sprachsynthese, sowie als Basis für die Erzeugung von Zufallszahlen, wie sie in der Kryptographie benötigt werden. Es existieren auch virtuelle Rauschgeneratoren in Form von mathematischen Gleichungen, die nur zur Signalverarbeitung in Software genutzt werden und kein physikalisches Signal ausgeben. Dabei handelt es sich häufig auch um deterministische Zahlengeneratoren.

Zur Erzeugung des Rausches 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 Anwendungen wegen der damit verbundenen Gefahren kaum Bedeutung. Lediglich in Sonderanwendungen z. B. als Rubidiumnormal kommen sie zum Einsatz.

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 20 °C an einem Widerstand mit 1 MΩ und einer Bandbreite von 1 kHz eine effektive Spannung von 4 µV, und diese Rauschspannung durch andere periodische und unerwünschte Signalanteile wie beispielsweise Schwankungen der Versorgungsspannung überlagert wird, stellen gute thermische Rauschquellen in der Praxis elektrisch komplizierte Aufbauten dar.

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 identischem 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.

Auch elektrische Widerstände können in dieser Weise genutzt werden.^[1]

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

Für niederfrequentes Rauschen kann die Glimmentladung, beispielsweise in Form von Glimmlampen, Anwendung finden.

Mit Hilfe von Mikrocontrollern^[2] und digitaler Hardware^[3] lassen sich heute sehr einfach Rauschgeneratoren erzeugen.

Weißes Rauschen enthält für jedes Frequenzintervall die gleiche Leistungsdichte was bei Ausgabe über einen Lautsprecher über die gesamte Frequenzbereich eine identische 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.

Um die Signale zu erzeugen, werden entweder klassische Analoge Schaltungen oder mathematische Funktionen verwendet, deren Signale bei Bedarf ausgegeben werden. Oft bedient man sich hier Pseudozufallszahlen-Generatoren, die ein perfekt symmetriertes Rauschen erzeugen können.^[4]

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 spektralen Formung des Rauschsignals, z. B. mit einem oder mehreren Voltage Controlled Filtern als analoge Lösung oder FIR-Filtern in digitaler Form.^[5]

Durch Differentiation eines weißen Rauschsignals erhält man sogenanntes blaues Rauschen, durch Integration braunes Rauschen.

• Rudolf Müller: Rauschen (= Halbleiter-Elektronik. Band 15). 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Springer, Berlin u. a. 1990, ISBN 3-540-51145-8. 
• Daniel von Grünigen: Digitale Signalverarbeitung. Mit einer Einführung in die kontinuierlichen Signale und Systeme. 5. Auflage. Carl Hanser Verlag, Leipzig 2014, ISBN 978-3-446-44079-1.
• Dieter Görrisch: Störsender von VHF bis Mikrowelle. Endlich keine Verschwörungstheorien mehr. 2. Auflage. Francis Verlag, Poing 2006, ISBN 3-7723-4127-6.
• Andreas Friesecke: Die Audio-Enzyklopädie. Ein Nachschlagewerk für Tontechniker. Saur, München 2007, ISBN 978-3-598-11774-9.

• RPG100. (PDF; 129 kB), techn. Datenblatt eines True Random Generator auf Basis der Rauschquelle von Halbleiterdioden (englisch) abgerufen am 1. Juli 2011.

1. ↑ Christoph Caspari: Widerstand: Rauschen von Widerständen. In: elektronikinfo.de. 18. Januar 2018, abgerufen am 13. Juli 2020. 
2. ↑ Zufallszahlen mit Rauschgeneratoren. H. Wünsche, 1. September 2017, abgerufen am 4. Mai 2021. 
3. ↑ Digitaler Rauschgenerator im FPGA – Mikrocontroller.net. Abgerufen am 23. August 2020. 
4. ↑ Stefan Stenzel: A New Shade of Pink - Audio Rauschgenerator. Waldorf Music, 3. Mai 2014, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 15. Juli 2020; abgerufen am 13. Juli 2020 (englisch).  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/stenzel.waldorfmusic.de 
5. ↑ Various Authors: DSP Generation of Pink Noise. Music DSP ORG, 1999, abgerufen am 13. Juli 2020.