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Apr 20, 2023

진폭 변조로 인한 핑크 노이즈에 대한 간단한 모델

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8364(2023) 이 기사 인용

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우리는 주파수가 누적되는 파동을 기반으로 핑크 노이즈(또는 1/f 변동)의 원인에 대한 간단한 모델을 제안합니다. 이러한 파동은 동기화, 공명 및 적외선 발산이 있는 시스템에서 자연적으로 발생합니다. 주파수가 누적되는 많은 파동은 작은 크기의 시스템에서 임의의 작은 주파수 신호를 생성할 수 있습니다. 이 비트 메커니즘은 진폭 변조로 이해될 수 있습니다. 핑크 노이즈는 복조 과정 이후에 나타날 수 있으며, 이는 다양한 분야에서 다양한 핑크 노이즈를 생성합니다. 비트에 의해 형성된 핑크노이즈는 소멸이나 장기기억과는 아무런 관련이 없다. 또한 지진, 태양 플레어, 항성 활동에서 핑크 노이즈를 보는 새로운 방법을 제안합니다.

핑크 노이즈는 어디에나 존재합니다. 이 잡음은 \(-\alpha\), (\(0.5<\alpha <1.5\)) 전력을 갖는 전력 스펙트럼 밀도(PSD)의 매우 낮은 주파수 영역에서 전력 법칙 동작을 특징으로 합니다. 이 잡음은 1/f 변동 또는 깜박임 잡음이라고도 합니다.

진공관 전류1에서 핑크 노이즈가 처음 발견된 이후 동일한 노이즈가 반도체, 얇은 금속, 생체막, 수정 발진기, 매우 장기적인 온도 변화, 오케스트라 음악의 음량, 지구 진동의 변동 등 많은 시스템에서 관찰되었습니다. 회전 속도, 우주선 강도의 변동, 심장박동, 자세 조절, 뇌자기검사, 뇌의 뇌파검사 등2,3.

핑크 노이즈의 기원에 대해서는 많은 논의가 있어왔지만2,3,4,5 뚜렷한 결론은 없는 것 같습니다. 핑크 노이즈를 발생시키는 많은 모델이 제안되었지만 보편적인 메커니즘은 발견되지 않았습니다.

핑크 노이즈는 어디에나 존재하므로 메커니즘은 충분히 간단해야 합니다. 그러나 표준통계역학의 기본 개념과 기법을 적용하는 데에는 모두 갈등과 논쟁이 있었던 것으로 보인다. 그런 다음 사람들은 표준 통계 역학 이론을 다시 작성할 수 있는 보다 근본적인 개념을 고려하는 경향이 있습니다.

임의의 저주파 변동을 생성하는 일반적인 메커니즘은 기본 고주파 변동의 파동 비트 또는 진폭 변조입니다. 이 진폭 변조는 주파수가 작은 범위에 더 집중된 경우 핑크 노이즈에 대해 성공적입니다. 그러면 2차 비트 파동은 더 낮은 주파수를 가질 수 있습니다. 저자 중 한 명은 이미 소리와 음악의 핑크 노이즈에 대한 이 메커니즘을 제안했습니다6.

더욱이 이러한 집중은 거듭제곱 법칙 PSD를 형성하기 위해 협력적이고 체계적이어야 합니다. 우리는 핑크 노이즈를 생성할 수 있는 최소 3가지 유형의 협력 시스템을 제안합니다. (a) 동기화, (b) 공명, (c) 적외선(IR) 발산입니다.

핑크 노이즈가 진폭 변조라면 복조 메커니즘도 존재해야 합니다. 변조된 데이터 전체에는 고주파 정보만 있는 반면, 복조 후의 데이터는 핑크 노이즈를 포함한 저주파 정보를 명시적으로 나타낼 수 있기 때문입니다. 복조 메커니즘은 시스템에 내장되어 있거나 측정 절차에서 준비될 수 있습니다. 많은 복조 메커니즘이 핑크 노이즈 현상을 다양하게 만듭니다. 원래 신호의 제곱 구하기, 정류, 임계값 설정 등이 있습니다. 예를 들어 전류나 전압이 생체 내 임계값을 초과하면 점화가 발생하고 신경 세포에 스파이크가 발생합니다. . 따라서 전류에서 발생할 수 있는 핑크 노이즈가 신경 신호로 전달됩니다.

핑크 노이즈의 기원에 대한 중요한 단서를 나열하는 다음 섹션인 방법에서 논의를 시작합니다. 모두 핑크 노이즈가 진폭 변조일 가능성을 지적합니다. 그런 다음 변조로 이어지는 세 가지 메커니즘을 제안합니다. 먼저 가장 일반적인 메커니즘 동기화에 대해 논의합니다. 우리는 (a) 지수 동기화가 \(-1\)의 거듭제곱 지수를 산출하고 거듭제곱 법칙 동기화가 \(-1\)과 약간 다른 거듭제곱 지수를 산출한다는 것을 보여줍니다. 다음으로, (b) 공진은 기준 주파수 주변의 여기된 고유모드의 농도가 관련 영역의 지수 함수에 의해 체계적으로 근사되기 때문에 핑크 노이즈를 생성합니다. 또한, (c) 브레름스트랄룽의 적외선 발산은 핑크 노이즈를 유발할 수 있습니다. 마지막으로, 핑크 노이즈의 견고성과 다양한 핑크 노이즈를 생성하는 여러 복조 메커니즘에 대해 논의합니다. 결론 섹션에서는 방법 섹션에서 제시된 요점을 기반으로 제안과 가능한 검증을 요약합니다. 또한 다양한 시스템에서 진폭 변조에 대한 전망을 요약합니다.