Внутренние шумы устройств приема и обработки радиосигналов

Шумы пассивных цепей. 

       Пусть произвольная пассивная линейная цепь, образованная проводниками с металлической проводимостью, находится при температуре Т. Если рассматривать эту цепь как двухполюсник, сопротивление которого

       то между его концами действует ЭДС тепловых шумов, среднеквадратичное значение которой

       где r - активная часть полного сопротивления двухполюсника; 

       k=1,38 10^-23 Дж/град (Дж/К) - постоянная Больцмана; 

       Т - абсолютная температура цепи; 

       П - полоса, в пределах которой измеряется ЭДС шумов.

       Эквивалентная шумовая схема такого двухполюсника представлена на рис. а), где  - генератор напряжения шумов. Можно представить другой вариант эквивалентной шумовой схемы двухполюсника.

 

 

 

Pисунок 4.1.

       Здесь Y=G+jB - полная проводимость двухполюсника; 

        - генератор задающего тока шумов, полная среднеквадратичное значение которого равно

       Если сопротивление двухполюсника активное (х=0), то для схемыб)

       Эквивалентные схемы а) и б), а также все рассмотренные формулы могут быть использованы для определения шумов пассивных двухполюсников, содержащих произвольное число элементов L, C, r. В этом случае величины r и x или G и B в схемах а) и б) будут сложно зависеть от частоты. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Формулы для определения  и  при этом верны в пределах полосы , внутри которой можно пренебречь изменением r и G. 

       В качестве примера обратимся к шумам параллельного контура LC, сопротивление потерь r_к которого будем считать не зависящим от частоты.

 

 

 

Pисунок 4.2.

       Определим напряжение шумов на контуре  в узкой полосе вблизи резонансной частоты . При этом перейдем к эквивалентной шумовой схеме параллельного контура. Рассматривая узкую полосу частот  , во много раз меньшую, чем полоса пропускания контура на уровне 0,707, можно пренебречь расстройкой контура для составляющих шума, лежащих внутри полосы . Тогда напряжение, создаваемое этими составляющими будет в Q раз больше их ЭДС (Q - добротность контура). Тогда

       где - резонансное сопротивление параллельного контура в точках 1-2. 

       Если интересоваться шумами параллельного контура, выбирая узкую полосу  частот на произвольной частоте, то необходимо учесть зависимость  от частоты. С увеличением расстройки величина , а следовательно и напряжение  убывают. 

       Таким образом, источником шумов пассивных цепей являются тепловые шумы сопротивлений потерь.

Шумы антенны. 

       В антенне и в заземлении возникают тепловые шумы, однако, их роль обычно незначительна, т.к. сопротивление потерь в этих устройствах мало. Значительно важнее колебания, наведенные в антенне электромагнитными волнами, приходящими к Земле из космоса, тепловыми электромагнитными излучениями атмосферы Земли и самой Земли. Флуктуационный характер этих помех позволяет рассматривать их совместно. 

       Шумы антенны характеризуют шумовой температурой антенны под которой понимают значение температуры , при которой тепловые шумы сопротивления, равного сопротивлению излучения антенны  , оказываются такими же, как и действительные шумы антенны. Это позволяет выразить ЭДС шумов антенны по формуле Найквиста

       Чем больше уровень помех в антенне, тем выше ее шумовая температура. Такая оценка уровня шумов удобна тем, что можно не уславливаться о ширине полосы пропускания П, что было бы неизбежным при использовании ЭДС или мощности. Удобно рассматривать как сумму составляющих

       где  шумовая температура неба, определяемая уровнем космических шумов; 

        - шумовая температура атмосферы; 

        - шумовая температура Земли. 

       Источниками интенсивного электромагнитного излучения являются звезды и, в первую очередь, ближайшая к Земле звезда - Солнце. Считается, что максимум  соответствует экватору галактики, а минимум - ее полюсам. Для частот 30-120 МГц среднее значение

       На см волнах космические шумы незначительны. Шумовая температура атмосферы растет по мере приближения направления приема к горизонту. Эти шумы наиболее существенны на частотах свыше 10 ГГц. Шумовая температура Земли считается близкой к 250 К. Все три составляющие шумовой температуры антенны, таким образом, зависят от диапазона частот, диаграмма направленности антенны, направления приема.

Шумы активных элементов приемников. 

       Шум p-n-перехода вызывается четырьмя факторами: 

             1) резистивным сопротивлением слоев p-n-перехода - тепловой шум; 

             2) неравномерностью потока носителей зарядов через p-n-перехода - дробовой шум; 

             3) неравномерностью процесса рекомбинации носителей при распределении тока между электродами, например, при распределении тока эмиттера между коллектором и базой - шумы токораспределения; 

             4) макропроцессами на поверхностях слоев p-n-перехода, создающими мерцательный (фликер) шум. 

       У дробового шума спектральная плотность  равномерна на частотах, меньших ~0,5Ч^.10¹¹ Гц. Она спадает на более высоких частотах, поскольку дробовой шум обуславливается случайной последовательностью импульсов тока, создаваемых пролетом носителей зарядов, время которого (длительность импульсов) равно приблизительно 10^-11 с. 

       У теплового шума  на частотах, меньших 3Ч^.10¹² Гц. 

       У мерцательного шума  . Мерцательный шум сказывается на частотах ниже десятка кГц и далее при анализе не учитывается.