Noise Floor

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정의

측정 시스템이나 신호 처리 환경에서 존재하는 모든 원치 않는 백그라운드

Noise (잡음)의 총합이자, 유의미한 신호를 구별해낼 수 있는 최저 물리적 한계선이다.

Noise Floor는 신호가 완전히 존재하지 않을 때 시스템이 기본적으로 출력하는 잡음 레벨을 의미한다. 초기 통신 기술과 오디오 장비가 정밀해지면서, 엔지니어들은 아무런 입력을 가하지 않아도 출력단에 미세한

Hum이 깔려 있는 것을 발견했다. 이는 우주 배경 복사처럼 시스템 고유의 열잡음(Thermal Noise), 전자기 간섭(EMI),

Quantization (양자화) 에러 등이 복합적으로 누적된 결과다.

시스템의 해상도나

Gain을 아무리 높여도, 원하는 신호의 진폭이 이 Noise Floor보다 낮다면 신호는 잡음 속에 파묻혀 복원할 수 없다. 따라서 장비의 유효한 동적 영역(Dynamic Range)을 결정하는 가장 본질적인 하한선으로 작용한다.

절대 영도(0K) 이상의 몯느 물리적 도체에서 전자의 무작위한 열 운동으로 인해 발생하는 근본적인 잡음(Jonson-Nyquist Noise)이다.

디지털 시스템에서 아날로그 신호를 이산적인 데이터로 변환할 때,

Bit Depth에 의해 결정되는 수학적 오차 에너지의 최저치다.

시스템을 구성하는 각 소자(저항, 앰프, 케이블 등)가 발생시키는 노이즈는 서로 독립적이므로, 전체 Noise Floor는 각 구간의 잡음 전력이 더해져 상승한다.

신호의 크기가 Noise Floor와 비슷해지거나 낮아지면, 잡음의 에너지가 신호의 에너지를 압도하여 원래의 형태, 위상, 주파수 특성을 완전히 소멸시킨다.

P = k_B \cdot T \cdot \Delta f

v_n = \sqrt{4 \cdot k_B \cdot T \cdot R \cdot \Delta f}

N_Q \approx -(6.02 \cdot Q + 1.76) \text{ (dBFS)}

Synthesizer로 고음역대의 미세한 산새 소리나 나뭇잎의 마찰음 같은 섬세한 환경음을 캡처할 때, 오디오 인터페이스나 앰프의 Noise Floor가 높으면 이러한 미세 신호들이 백색 잡음(Hiss)에 완전히 파묻혀 사실적인 공간감과 질감을 상실한다.

수신 안테나가 심우주 탐사선의 미약한 데이터를 수신할 때, 시스템의 Noise Floor를 낮추기 위해 저잡음 증폭기(LNA)를 극저온으로 냉각하여 물리적인 열잡음 발생을 극한으로 억제한다.

스펙트럼 분석기로 미세한 전자기파 간섭을 측정할 때, 기기 자체의 분해 대역폭(RBW)을 좁혀 Noise Floor를 인위적으로 낮춰야만 바닥에 숨겨진 Spurious 신호를 관측할 수 있다.

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