Радио дизайн и технологии. RF Design

Радио дизайн и технологии. РЧ оборудование, его разработка, тестирование. схемотехника. RF Design

РЧ компоненты. Шумы

now browsing by category




 

Шумы каскадированных узлов РЧ тракта

 

При каскадировании, т.е. последовательном соединении отдельных электронных узлов происходит накопление шумов – изменение отношения сигнал-шум обрабатываемого сигнала, что иллюстрирует рисунок ниже. Для вычисления коэффициента шума последовательно включенных (каскадированных) узлов РЧ тракта используется формула Фрииса (Friis).




Изменение величины шума в каскадированных узлах


Источник шума на входе показан как резистор с температурой T0. Каждый каскад характеризуется своей полосой B, усилением G и величиной вносимого шума N. Фактор шума системы задается для двухкаскадной системы следующим уравнением:

F12 = F1 + (F2-1)/G1 (14).

Выражения (13) и (14) обычно называются каскадной формулой Фриса.

F123 = F1 + (F2-1)/G1 + (F3-1)/G1G2 +… . (13);

Важным является то, что в уравнениях (13) и (14) не фигурирует полоса B. Это демонстрирует преимущества методов, основывающихся на понятиях коэффициента шума и температуры шума: они не зависят от полосы. Важно учесть и то, что при вычислениях входящие в формулу величины должны быть представлены в линейной системе единиц, а не в логарифмической, т.е. не в децибелах.

Шум каждого каскада усиливается последующими каскадами наравне с сигналом, поэтому наиболее сильно усиливается шум первого каскада тракта. Вот почему наиболее важен уровень шумов именно первого каскада тракта обработки сигнала (приемника), а шумами последующих каскадов зачастую можно пренебречь. По этой причине именно первый каскад необходимо реализовывать с использованием малошумящих полупроводниковых элементов, коэффициент шума первого каскада является доминирующим в полном коэффициенте шума, и общий фактор шума F12 будет определяться фактором шума первого каскада F1. Величина [(F2-1)/G1] в уравнении (13) часто называется эффектом второго каскада и показывает тот факт, что большой коэффициент усиления первого каскада G1 снижает шумовой вклад второго каскада.

————————————————————————————————————————

 

Фазовые шумы компонентов (Phase Noise)

Рассмотренные ранее шумовые характеристики применимы для двухпортовых цепей, имеющих вход и выход, не могут служить показателями качества цепей с одним портом, оконечных устройств и генераторов. Для этих устройств могут быть использованы другие показатели качества, такие как “фазовый шум” и “отношение несущая/шум”.


Фазовый шум измеряется в частотной области, как это показано на рисунке, и выражается как отношение мощности несущей Ps к мощности шума Pn, измеренной в полосе 1 Гц, при заданной частоте отстройки F от несущей частоты, выражаемое обычно в дБ.



Измерение величины фазового шума генераторов

————————————————————————

 

Шум-фактор или фактор шума F (Noise Factor, FN, F)

При подключении на вход устройства, например, усилителя согласованной нагрузки при температуре 290К, она будет создавать на входе усилителя шум kToB. На выходе каскада с коэффициентом усиления усилителя G этот шум усилится и превратится в kToBG. Кроме того, к нему добавится некоторое количество шума, генерируемого в самом каскаде.


Изменение отношения сигнал-шум при прохождении через реальные устройства с единичным коэффициентом усиления


Типичная картина соотношения сигнала и шума на входе усилителя (а) и на его выходе (b) представлена на рисунке. Из рассмотрения рисунка видно, что уровень шума вырос больше, чем уровень сигнала из-за введения дополнительного шума усилителя. Это относительное повышение уровня шума может быть выражено с помощью шум-фактора устройства.

Шум-фактор F (Noise Factor, FN, F) или фактор шума устройства характеризует уменьшение отношения сигнал шум при прохождении сигнала через тракт обработки сигнала или отдельное устройство.

Количественно значение шум-фактора равно отношению сигнал/шум на входе устройства к такому же отношению на его выходе:

F = (Sin/Nin)/(Sout/Nout),

—————————————————

Отношение сигнал-шум (Signal-to-Noise Ratio)

Отношение сигнал-шум SNR (signal-to-noise ratio) и коэффициент битовых ошибок BER (bit error rate) являются важнейшими параметрами, которые определяют качество РЧ компонентов и трактов в целом, прежде всего, трактов приема. Отношение сигнал-шум SNR является простой формой оценки соотношения между мощностью сигнала и уровнем шума.

сигнал/шум (SNR) [дБ] = сигнал [дБм] — шум{помеха} [дБм]



Вид типичного спектра при измерении отношения сигнал-шум и несущая-шум


РЧ сигнал может быть немодулированым — также называемым незатухающим или непрерывным колебанием (continuous wave, CW) или модулированным. Отношение сигнал-шум SNR иногда модифицируется, чтобы включать в него и имеющуюся помеху (интерференцию) и описывается как отношение сигнал-шум+помеха SNIR (signal-to-noise and interference ratio, S/N+I). Отношение сигнал-шум используется, чтобы определить параметр энергия/шум Eb/No (energy-to-noise), представляющий собой отношение битовой энергии Eb (Energy per Bit) к спектральной плотности шума No (Spectral Noise Density). Использование этих характеристик позволяет находить зависимости вероятности ошибки от Eb/No в цифровых каналах связи. Зависимость между SNR и Eb/No зависит от используемого метода модуляции сигнала.

Еще одной широко используемой характеристикой, особенно при измерениях в кабельной связи, является отношение несущая-шум или отношение мощности несущей к шуму (Carrier-to-Noise Ratio, CNR). По определению, отношение несущая-шум представляет собой выраженную в децибелах разность между амплитудой РЧ сигнала и амплитудой шума, существующего в тракте обработки РЧ сигнала.

———————————————————