Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про коэффициент шума входного устройства, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое коэффициент шума входного устройства, шумовая температура приемника , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов.
Коэффициент шума — отношение мощности шумов на входе устройства при включенном на его входе активном сопротивлении, равном номинальному входному сопротивлению устройства, к мощности шумов на выходе, обусловленной тепловыми шумами только этого сопротивления.
Коэффициент шума и шумовую температуру вводят для количественного описания шумовых свойств линейных трактов радиоприемных устройств , усилительных устройств, а также антенн и антенных решеток. Коэффициент шума показывает, во сколько раз уменьшается отношение сигнал/шум при прохождении смеси сигнала и шума через радиотракт. Различают дифференциальный коэффициент шума (мощность шумов подсчитывают в бесконечно узкой полосе частот, охватывающей данную частоту, что позволяет установить частотную зависимость шумовых свойств устройства) и интегральный коэффициент шума (учитывают мощность шумов в полосе пропускания системы «источник сигнала — устройство»).
Коэффициент шума входного радиоприемного устройства (часто обозначаемый как NF - Noise Figure) представляет собой меру, которая указывает, какое количество шума добавляется к сигналу при его прохождении через приемное устройство. Коэффициент шума измеряется в децибелах (дБ) и обычно указывается как положительное число.
Чем ниже значение коэффициента шума, тем лучше радиоприемное устройство способно различать слабые сигналы от шума. Идеальное радиоприемное устройство не добавляет никакого шума к входному сигналу, поэтому его коэффициент шума равен 0 дБ. Однако, в реальности, все приемные устройства имеют некоторый уровень добавляемого шума.
Чтобы определить коэффициент шума входного радиоприемного устройства, обычно измеряют уровень сигнала и шума на входе устройства и на выходе, а затем вычисляют разницу между ними. Результатом является значение коэффициента шума в децибелах (дБ), которое указывает на уровень добавляемого шума приемным устройством.
Следует различать коэффициент шума собственно входного устройства и коэффициент шума входного устройства и первого каскада приемника, определяемый совместно. Рассмотрим вначале последний случай как более общий, а затем в качестве частного случая определим коэффициент шума собственно входного устройства.
Коэффициент шума (NF) измеряется в децибелах (дБ) и определяется по формуле
где 
— отношение сигнал/шум на входе радиотракта, а 
— отношение сигнал/шум на его выходе
Часто также можно встретить эту же величину, но выраженную в безразмерных единицах. Такую величину называют «фактор шума» (F), и численно она связана с коэффициентом шума следующим выражением:
Определение 1: Коэффициентом шума приемника называется отношение полной мощности шума на выходе додетекторного тракта к части этой мощности, которую создает включенный на вход приемника эквивалент антенны.
Определение 2: Эквивалент антенны - это двухполюсник с усредненными параметрами антенны, близкими к реальным (вероятным) параметрам антенны .
На низких и средних частотах сопротивление индуктивности мало и эквивалентная схема может быть упрощена
На высоких частотах сопротивления конденсаторов малы и эквивалентная схема антенны упрощена к виду:
Приемную антенну можно представить в виде генератора ЭДС Ėа или генератора тока İа
Определение 3: Эквивалентом антенны называется линейный двухполюсник, сопротивление которого равно выходному сопротивлению антенны.
Сопротивление ненастроенной антенны, Żа зависит от частоты сложным образом. Если ее размеры невелики по сравнению с длиной волны, то эквивалент антенны может быть представлен
В диапазоне НЧ (СЧ) 
, тогда
В диапазоне ВЧ Żа имеет сложный характер (как индуктивный, так и емкостный).
В диапазоне ОВЧ (более коротких волнах) используют антенны, настроенные на среднюю частоту диапазона, где антенна обладает активным сопротивлением Rа.
Если Rа равно сопротивлению фидера, то ее соединяют с ним непосредственно. В других случаях используют специальные согласующие устройства.
Реальная чувствительность (ограниченная внутренними шумами) зависит от коэффициента усиления К, уровня собственных шумов, приведенных ко входу антенны, и требуемого порогового превышения заданного уровня сигнала над шумами.
Определение 4: Коэффициентом шума приемника называется величина, которая показывает, во сколько раз отношение сигнал/шум на входе приемника больше отношения сигнал/шум на его выходе.
При каскадном соединении элементов, фактор шума системы вычисляется по следующей формуле:
где Fn фактор шума n-ого элемента, а Gn коэффициент усиления n-ого элемента, выраженный в относительных единицах.
При расчете коэффициента шума учитываются шумы антенны как источника сигнала, шумы собственно входного устройства и шумы первого каскада, пересчитанные на его вход.
Предположим, что пересчитанная ко входу первого каскада проводимость источника сигнала составляет
,
а ее собственные шумы характеризуются шумовым током
.
Проводимость резонансного контура
,
персчитанная ко входу первого каскада, обуславливает появление шумового тока
.
Шумы электронного прибора, стоящего на входе, пересчитываются к его входу и характеризуется источником шума
,
где 
- сопротивление шума.
Очевидно, надо учесть еще шумы, влзникающие во входной проводимости электронного прибора, причем эти шумы представляются шумовым током
,
где 
- относительная шумовая температура шума, показывающая во сколько раз шумы реальной входной проводимости больше шумов соотвнтствующего омического сопротивления.
Величины и 
приводится в справочной литературе или рассчитываются по известным из курса электронных приборов формулам. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Величина П представлчет собой эффективную шумовую полосу пропускания приемника. С учетом вышесказанного об источниках шумов, эквивалентная шумовая схема может быть представлена следующим образом.
Pисунок 6.6.
Как видно из рисунка проводимости 
, 
, 
являются соответственно источниками шумов 
, 
, 
а усилительный прибор - источником шумов 
Коэффициент шума системы в соответствии с определением можно представить в виде отношения мощностей сигнала и шума в антенне и на выходе схемы, т.е.
.
Соотношение сигнал/шум в антенне как источнике обуславливается ее данными. В частности, номинальные мощности антенны как источника сигналов и источника шумов
.
Их отношение составляет
.
Найдем теперь отношение сигнал/шум на выходе.
Номинальные мощности сигнала и шума на выходе соответственно равны
; ,
где
.
- результирующая проводимость шумящих источников.
Найдем напряжение шумов на зажимах 4-4'
,
где
или
.
Учитывая значения 
, 
, 
, общее напряжение шумов на выходе схемы
.
Выражение, стоящее в квадратных скобках, является результирующим сопротивлением шума входного устройства и первого каскада:
.
Три члена этой суммы характеризуют шумовые свойства следующих источников:
а) собственно входного устройства, шумовые свойства которого определяются сопротивлением, пересчитанным ко входу первого каскада, т.е. величиной
.
б) входа первого каскада, шумовые свойства которого определяются дополнительными шумами во входном сопротивлении электронного прибора
;
в) усилительного прибора, шумовые свойства которого определяются сопротивлением шума 
.
Определим теперь отношение сигнал/шум на выходе схемы
.
Тогда коэффициент шума
.
Рассмотрим более подробно выражение для коэффициента шума, подставив в него значение результирующего сопротивления шума:
.
Принимая во внимание, что
.
где 
- пересчитанная ко входу первого каскада проводимость нагрузки.
.
Коэффициент шума можно записать
.
Второй член характеризует дополнительную величину Ш за счет шумов контура и входа первого каскада.
Третий член характеризует дополнительное значение Ш за счет электронного прибора.
Анализируя последнее выражение, рассмотрим 3 частных случая выбора связи между антенной, входным контуром и входом первого каскада:
а) первый частный случай - режим согласования по мощности, при котором на входе приемника осуществляется согласование, т.е. коэффициент трансформации (включения) 
берется равным согласующему значению 
Т.к. в режиме согласования 
, то коэффициент шума определяется
.
В области относительно высоких частот, когда
коэффициент шума
,
т.е. определяется величинами 
и 
. Из этого следует, что с целью уменьшения коэффициента шума надо выбирать электронные приборы с возможно меньшими значениями и 
.
б) второй частный случай - режим оптимального согласования по шумам.
Этот случай характеризуется тем, что коэффициент включения со стороны антенны ,как и в предыдущем случае берется равным согласующему значению, т.е. 
и коэффициент рассогласования.
Вместе с тем контур присоединяется ко входу первого каскада не произвольно, а вполне определенным образом, выбором некоторого оптимального значения коэффициента включения 
с целью уменьшения коэффициента шума.
Выражение для коэффициента шума с учетом того, что 
примет вид
,
Чтобы найти оптимальную с точки зрения коэффициента шума величину коэффициента включения 
, возьмем производную 
по 
и приравняем ее нулю.
Отсюда
.
Тогда
,
т.е. коэффициент шума определяется только параметрами электронного прибора.
Уменьшение коэффициента шума при неполном подключении контура ко входу первого каскада обусловлено действием двух факторов: уменьшением пересчитанного значения резонансного сопротивления контура 
, вследствие чего резко уменьшается уровень шума (пропорционально 
), и одновременно уменьшением уровня снимаемого с контура полезного сигнала 
(пропорционально ).
в) третий частный случай - режим оптимального рассогласования по шумам.
В данном случае коэффициент со стороны антенны не берется равным согласующему значению, а находится такое его оптимальное значение 
(или 
), при котором коэффициент шума приобретает минимальное значение
.
Для определения запишем Ш в виде
.
Берем производную от этого выражения по а 
, приравниваем ее к нулю и находим
.
Тогда
.
В области относительно высоких частот, когда 
, величина 
и
.
т.е. коэффициент шума определяется только параметрами электронного прибора.
Уменьшение коэффициента шума при 
достигается за счет уменьшения влияния шумов резонансного контура и входа каскада.
Pисунок 6.7.
Как уже было показано
; 
.
Для входного устройства без учета влияния первого каскада
,
.
Отношение
.
В частотных диапазонах, где важную роль играет коэффициент шума, используются настроенные антенны, т.е. антенны, сопротивление которых носит резистивный характер. Поэтому эквивалентом антенны является резистор – источник теплового шума. Эквивалентная схема шумящего резистора, подключенного к входу приемника, имеет следующий вид
- полоса частот, в которой производится измерение мощности шума.
Найдем шумовую мощность, поступающую на вход приемника:
где 
- коэффициент согласования на входе приемника.
В режиме согласования 
, в режиме рассогласования 
.
Додетекторный тракт приемника в виде каскадного соединения включенных шумящих четырехполюсников, каждый из которых характеризуется коэффициентом шума, коэффициентом усиления по мощности и коэффициентом согласования на его входе.
По определению
где 
- мощность шумов, генерируемая n-ым каскадом.
Для оценки мощности шума генерируемая n-ым каскадом, воспользуемся определением коэффициента шума n – ого каскада
На основании последнего соотношения можно сделать следующие выводы:
Полная шумовая мощность на выходе приемника равна
Такую же мощность можно получить на выходе идеального нешумящего приемника с коэффициентом шума 
, если повысить температуру эквивалента антенны на некоторую величину 
:
Приравняв правые части двух последних соотношений, получим
Шумовой температурой приемника называется величина эквивалентного повышения шумовой температуры эквивалента антенны, при котором выходная шумовая мощность нешумящего идеального приемника равна выходной шумовой мощности реального приемника.
Связь коэффициента шума и чувствительности
Определим количественную меру чувствительности приемника, задавшись отношением сигнал/шум на выходе додетекторного тракта:
Входящие в последнее соотношение мощности сигнала и шума определяются следующим образом
Теперь
Таким образом, количественная мера чувствительности по мощности прямо пропорциональна коэффициенту шума.
Чувствительность, определенная при отношении сигнал /шум на выходе додетекторного тракта, равном единице (q =1), называется пороговой.
Она равна 
Статью про коэффициент шума входного устройства я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое коэффициент шума входного устройства, шумовая температура приемника и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов
Термины: Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов