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Apr 20, 2023

Um modelo simples para ruído rosa de modulações de amplitude

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8364 (2023) Citar este artigo

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Propomos um modelo simples para a origem do ruído rosa (ou flutuação 1/f) baseado nas ondas com frequências acumuladas. Essas ondas surgem espontaneamente em um sistema com sincronização, ressonância e divergência infravermelha. Muitas ondas com frequências acumuladas podem produzir sinais de pequenas frequências arbitrárias de um sistema de tamanho pequeno. Esse mecanismo de batida pode ser entendido como modulação de amplitude. O ruído rosa pode aparecer após o processo de demodulação, que produz uma variedade de ruído rosa em muitos campos. O ruído rosa assim formado a partir da batida não tem nada a ver com dissipação ou memória de longa data. Também sugerimos novas maneiras de observar o ruído rosa em terremotos, erupções solares e atividades estelares.

O ruído rosa é onipresente. Este ruído é caracterizado pelo comportamento da lei de potência na região de frequência muito baixa da densidade do espectro de potência (PSD) com potência \(-\alpha\), (\(0.5<\alpha <1.5\)). Esse ruído também é conhecido como flutuação 1/f ou ruído oscilante.

Desde a primeira descoberta de ruído rosa em uma corrente de tubo de vácuo1, o mesmo ruído foi observado em muitos sistemas: semicondutores, metais finos, biomembranas, osciladores de cristal, variações de temperatura de longo prazo, volume de música orquestral, flutuações na atmosfera da Terra velocidade de rotação, flutuações na intensidade dos raios cósmicos, batimentos cardíacos, controle postural, magnetoencefalografia e eletroencefalografia no cérebro, etc.2,3.

Existem muitas discussões sobre a origem do ruído rosa2,3,4,5, mas parece não haver uma conclusão clara. Muitos modelos foram propostos que dão origem ao ruído rosa, mas nenhum mecanismo universal foi descoberto.

Como o ruído rosa é onipresente, o mecanismo deve ser bastante simples. No entanto, todas as aplicações dos conceitos básicos e técnicas da mecânica estatística padrão parecem ter encontrado conflitos e disputas. Então as pessoas tendem a considerar conceitos mais fundamentais que podem reescrever a teoria da mecânica estatística padrão.

Um mecanismo típico para produzir flutuações arbitrárias de baixa frequência seria o batimento de onda, ou modulação de amplitude, das flutuações primárias de alta frequência. Essa modulação de amplitude seria bem-sucedida para ruído rosa se as frequências fossem mais concentradas em uma faixa pequena. Então a onda de batida secundária pode ter frequências mais baixas. Um dos autores já propôs esse mecanismo para o ruído rosa de sons e músicas6.

Além disso, essa concentração deve ser cooperativa e sistemática para formar o PSD de lei de potência. Propomos pelo menos três tipos de sistemas cooperativos que podem produzir ruído rosa. Eles são (a) sincronização, (b) ressonância e (c) divergência de infravermelho (IR).

Se o ruído rosa fosse uma modulação de amplitude, o mecanismo de demodulação também deveria existir. Isso ocorre porque todos os dados modulados possuem apenas informações de alta frequência, enquanto os dados após a demodulação podem mostrar explicitamente as informações de baixa frequência, incluindo o ruído rosa. O mecanismo de demodulação pode ser intrínseco ao sistema ou ser preparado no procedimento de medição. Muitos mecanismos de demodulação tornam diversos os fenômenos do ruído rosa: tomada do quadrado do sinal original, retificação, limiarização, etc. Por exemplo, quando a corrente ou tensão elétrica excede o limiar no corpo biológico, ocorre a ignição e produz picos nas células nervosas . Assim, o possível ruído rosa na corrente elétrica é transferido para o sinal nervoso.

Começamos nossa discussão na próxima seção Método, listando pistas cruciais para a origem do ruído rosa; todos apontando para a possibilidade de que o ruído rosa seja modulação de amplitude. Propomos então três mecanismos que conduzem à modulação. Primeiro discutimos o mecanismo de sincronização mais típico. Mostramos que (a) a sincronização exponencial produz um índice de potência de \(-1,\) e a sincronização da lei de potência produz um índice de potência ligeiramente diferente de \(-1\). Em seguida, (b) a ressonância também produz ruído rosa, uma vez que a concentração dos automodos excitados em torno da frequência fiducial é sistematicamente aproximada pela função exponencial no domínio relevante. Além disso, (c) a divergência infravermelha no bremsstrahlung pode gerar ruído rosa. Finalmente, discutimos a robustez do ruído rosa e vários mecanismos de demodulação que produzem uma variedade de ruído rosa. Na seção de conclusão, resumimos nossa proposta e possíveis verificações com base nos pontos apresentados na seção Método. Também resumimos nossas perspectivas de modulação de amplitude em uma variedade de sistemas.