что такое коэффициент шума

Коэффициент шума (NF): миф, а также важный параметр RF.

Это один из терминов, который многим людям в РФ трудно понять и применять.

Существуют сложные формулы, которые очень запутывают вас, когда вы прорабатываете их.

И у вас могут возникнуть трудности при их правильном применении для разработки приемника.

При разработке схем для использования с очень слабыми сигналами шум является важным фактором.

Вклад шума каждого устройства в тракте сигнала должен быть достаточно низким, чтобы он не значительно ухудшил отношение сигнал / шум.

Я покажу вам эти простые и общепринятые концепции RF, и вы в конечном итоге сможете разрабатывать и завершать проекты RF и продаваемые продукты за очень короткое время, не делая много ошибок.

Я также предоставлю несколько ресурсов для тех из вас, кто хотел бы узнать более подробную информацию.

Что такое «кТБ»?
Прежде чем обсуждать коэффициент шума и коэффициент шума, нам нужно лучше узнать шум приемника.

Первое, что нам нужно знать, это то, что повсюду в помещении присутствует тепловой шум, и это минимальная мощность шума, с которой нам нужно столкнуться и справиться.

Мы никак не можем от этого избавиться.

Конструкция приемника была бы намного проще, если бы этого основного шума не было.

Все другие виды шума нежелательны, и мы должны сделать все возможное, чтобы свести их к минимуму.

Обычно мы выражаем шум в ваттах, так как это один тип мощности.

Амплитуда этой мощности теплового шума составляет:

Тепловой шум и температура:

В приведенной ниже таблице показан тепловой шум на герц в зависимости от температуры:

-173.2-174.9 = 1.7dBm

Тепловой шум и рабочая частота:

Мы завершим «тепловой шум» двумя вопросами, чтобы проверить, насколько вы знаете об этом термине. Вы должны тщательно это знать, прежде чем продолжать видеть этот важный параметр «Коэффициент шума», который мы обсудим ниже:

Отв. 174.7-дБм

Q2: Сколько дБм является суммарным тепловым шумом с шириной полосы 250 кГц при 65 ° C?

Отв. 119.3-дБм

Отношение сигнал / шум (SNR)

Самый слабый сигнал, который может различить приемник, зависит от того, сколько теплового шума приемник добавляет к сигналу. Отношение сигнал / шум является наиболее удобным способом количественной оценки этого эффекта.

Для отношения входного сигнала к шуму,

SNRin = Sin / нин

Для отношения выходного сигнала к шуму,

SNRout = Sout / Нут

Поскольку kTB везде, Sout / Nout никогда не может быть лучше, чем Sin / Nin. Поэтому лучшая ситуация, с которой вы можете столкнуться:

Sout / Nout = Sin / Nin, (SNRout = SNRin)

Коэффициент шума (F) и
Коэффициент шума (NF)
Нам нужно определить эти два термина «коэффициент шума» и «показатель шума», прежде чем идти дальше.

Вам нужно запомнить это определение наизусть, прежде чем вы сможете работать с Noise Figure.

Идеальная электронная схема (которой не существует) имеет коэффициент шума 1.

В реальном мире оно всегда больше 1.

Я хотел бы объяснить эти 2 важных термина, используя 3 примера ниже, и я надеюсь, что вам потребуется время, чтобы выполнить каждый отдельный шаг.

Пример #1
Если электронная схема прозрачна, то коэффициент усиления равен 0, уровень внутреннего шума Nckt также равен 0.

Пример #2
Если электронная схема представляет собой π сетевой аттенюатор с сопротивлением 6 дБ (-6 дБ), каков коэффициент шума?

Итак,
Ноут = КТБ
Следовательно,
Коэффициент шума (F) = Грех / NinSout / Nout
= Sin / КТВ (1/4) Sin / КТВ = 4
И
Коэффициент шума (NF) = 10log (4) = 6 дБ
Коэффициент шума в точности соответствует затуханию 6 дБ, как и ожидалось.

Пример #3

Усилитель имеет усиление 12 дБ и коэффициент шума 3 дБ,

(а) каков уровень шума на Гц (в дБм) на выходном порте, и

(б) какой дополнительный шум на Гц (в дБм) создается в этом усилителе?

(А).
Поскольку,

Следовательно, Уровень шума (в дБм) на выходном порте составляет:

Хорошо, пришло время завершить эту статью. Вам нравится знать, действительно ли вы понимаете, что такое Noise Figure и как его использовать? Узнайте из этих 2 вопросов:

Источник

Коэффициент шума. Теория и практика измерений. Часть 1

Введение

Чем более слабые сигналы приходится обрабатывать в цифровых системах связи, тем большее значение приобретают такие параметры, как уровень бит-ошибок, который непосредственно зависит от чувствительности тракта обработки сигнала и, конечно, коэффициента шума. Из перечисленных параметров коэффициент шума интересен в том плане, что его можно использовать не только как критерий оценки работы всей приемной системы в целом, но и как ключевую характеристику отдельных СВЧ-компонентов, таких как усилители и смесители, которые образуют эту систему. Если разработчик контролирует коэффициент шума и усиление отдельных каскадов приемной системы, то это означает, что он контролирует всю систему в целом. Если величина коэффициента шума известна, то рассчитать чувствительность всей системы, зная полосу обработки сигнала, не составит труда. Именно коэффициент шума — это зачастую тот параметр, который выгодно отличает одно приемное устройство от другого, один усилитель от другого, один транзистор от другого. Тот факт, что без использования понятия коэффициента шума сегодня сложно представить спецификацию на приемное устройство, подразумевает, что точность и повторяемость измерения данного параметра особенно важны при разработках и производстве СВЧ-устройств.

Измерение шумов некого электронного устройства — важная процедура для минимизации шума, генерируемого этим устройством в приемных системах. Основным способом снижения вероятности бит-ошибок при приеме и обработке цифровых потоков является усиление полезного сигнала электронными устройствами, которые имеют низкий уровень собственных шумов. Традиционные методы увеличения соотношения полезного сигнала к шуму заключаются, с одной стороны, в увеличении мощности сигнала, передаваемого в направлении приемника, а с другой — в увеличении усиления приемной антенны. Подобные способы связаны с известными трудностями, поскольку увеличение мощности сигнала передатчика ограничивается законодательно соответствующими контрольными органами, а увеличение усиления в антенне обычно связано с необходимостью разработки более дорогой и более громоздкой антенной системы. Альтернативным способом увеличения соотношения полезного сигнала к шуму является минимизация коэффициента шума приемной системы и ее компонентов. Таким образом, измерения коэффициента шума абсолютно необходимы, чтобы иметь уверенность в том, что шум, вносимый элементами приемной системы, допустимый.

Основная задача данной статьи — рассмотрение способов оценки коэффициента шума электронных устройств при помощи современных измерительных приборов. При этом мы покажем возможность измерения коэффициента шума при помощи анализатора спектра «СК4-БЕЛАН 32», который укомплектован соответствующей опцией.

Для четкого понимания смысла подобных измерений и правильной интерпретации их результатов необходимо напомнить, что скрывается под термином «коэффициент шума», а также что подразумевают связанные с ним понятия (эффективная шумовая температура, Y-фактор, избыточный коэффициент шума и т. д.).

Теория

Шум, с которым мы имеем дело на практике, состоит из многих составляющих. Основные из них — это тепловой и дробовой шумы. Тепловой шум возникает при флуктуациях электронов в проводниках, имеющих некую конечную температуру. Некоторые из таких флуктуаций могут иметь спектральные составляющие в той же полосе частот, что и полезные сигналы, то есть их маскировать и затруднять их обработку. Шумовой спектр, генерируемый тепловым шумом, по своей природе однороден на всех частотах. Дробовой шум возникает из-за квантовой стохастической природы электрического тока. Ток не представляет собой непрерывного и предсказуемого движения электронов, а скорее является хаотическим потоком со случайным их распределением. Статистический анализ стохастического потока электронов показывает, что вариации тока имеют широкополосный характер (распределены в широкой полосе частот). Есть и другие природные феномены, которые имеют квантовую структуру и генерируют случайный шум. Примером может служить шум генерации и рекомбинации основных носителей, возникающий в транзисторах при распределении тока эмиттера между базой и коллектором. Несмотря на многообразие источников шума, у всех механизмов генерации шума есть одно свойство, общее с тепловым шумом: они имеют однородный спектр, равномерно распределенный в полосе частот до 5000 ГГц. Поэтому при оценке шума все его источники принято рассматривать как тепловой шум. Мощность теплового шума определяется как:

где P_A — доступная мощность (Дж/с или Вт); k — постоянная Больцмана (1,38×10 –23 Дж/К); T — абсолютная температура (К); B — полоса частот (Гц).

Важно помнить, что k×T×B — это «доступная» мощность. То есть она «доступна» только при оптимальной (согласованной) нагрузке (если нет отражения энергии).

Определение k×T×B позволяет интуитивно лучше понять природу шума. Постоянная Больцмана k характеризует среднюю величину выделяемой кинетической энергии на единицу температуры. Присутствие в формуле температуры T предполагает, что с ее ростом выделяется больше мощности. Ну, и поскольку шум имеет широкополосную природу, в формуле мощности шума фигурирует B — используемая полоса частот.

Абсолютную температуру в 290 К (обычно обозначается как T₀) принято считать опорной величиной источников шума при измерениях коэффициента шума. Эта величина соответствует 16,8 °С и 62,3° по Фаренгейту. Спектральная плотность тепловых шумов k×T, генерируемая резистором на согласованную нагрузку в каждом герце электромагнитного спектра при данной температуре, равна 4×10 –21 Вт или –174 дБ·м.

Неотъемлемой частью определения коэффициента шума является понятие «соотношение сигнал/шум». Этот термин интуитивно понятен, особенно если перейти к логарифмическим соотношениям. Поясним данный термин на простом примере. Допустим, мы имеем сигнал (S) с уровнем 10 мВт (+10 дБ·м). Чему равно теоретическое соотношение «сигнал/шум», измеряемое в децибелах, для данного сигнала в полосе 1 МГц при температуре 290 К? Сначала рассчитаем мощность шума (N) в полосе 1 МГц:

Теперь вычислим соотношение «сигнал/шум»: S/N = (+10–(–114)) = 124 дБ.

Заметим, что соотношение «сигнал/шум» выражается просто в дБ. Хотя и мощность шума, и сигнал первоначально были в логарифмическом масштабе относительно 1 мВт.

Уяснив термин «соотношение сигнал/шум». мы можем перейти к определению понятия «коэффициент шума». Этот коэффициент описывает уменьшение соотношения «сигнал/шум» по мере прохождения сигнала через приемное устройство или его отдельный каскад (усилитель, смеситель). Фундаментальное определение коэффициента шума следующее:

где S_in / N_in — соотношение «сигнал/шум» на входе устройства; S_out / N_out — соотношение «сигнал/шум» на выходе устройства.

Поскольку все электронные устройства «шумят» и, соответственно, добавляют некое количество шума к сигналу, величина F всегда больше единицы. Хотя величина F исторически называлась коэффициентом шума, современный термин «коэффициент шума» (децибельная величина NF) обычно подразумевает логарифмический масштаб величины F, равный 10 log₁₀F (дБ). В зарубежной специальной литературе, публикуемой ведущими производителями измерителей коэффициента шума (Agilent Technologies, Anritsu, Rohde & Schwarz) последовательно разграничиваются два термина: «фактор шума», или F, и, собственно, коэффициент шума NF. Итак,

Рассмотрим коэффициент шума некоего известного усилителя. На рис. 1 показана его условная схема, а также сигналы на его входе и выходе.

Рис. 1. Условная схема усилителя. Сигналы на его входе и выходе

Если мы подключим к входу усилителя согласованную нагрузку при температуре 290 К, то она будет генерировать на входе усилителя шум k×T₀×B. На выходе этот шум усилится и превратится в k×T₀×B×G (G — коэффициент усиления усилителя) плюс к нему добавится некое количество шума, генерируемого в самом усилителе N_A. Тогда выражение (2) можно переписать следующим образом:

Выражение (4) является определением коэффициента шума, которое официально принято международным Институтом Радиоинженеров (сейчас Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)).

Если опираться на уравнения (4) и (5), то видно, что измерения коэффициента шума сводятся к измерениям уровня шума, коэффициента усиления и полосы. Однако, несмотря на понятность данных величин, в практических измерениях формулами (4) и (5) пользуются не так уж часто (хотя использовать их можно, о чем мы расскажем ниже). Это связано с тем, что измерить с большой точностью усиление в заданной полосе — зачастую не тривиальная задача. Большинство систем измерения коэффициента шума элегантно обходят задачу прямого измерения уровня шума и усиления, основывая алгоритмы своей работы на использовании, в первую очередь, линейных свойств тепловых шумов.

Рис. 2. График функции мощности теплового шума от абсолютной температуры

Таким образом, P_A(T) = k×B(T)+0 = k×B(T). При постоянной величине полосы, которая нам известна, это уравнение позволяет рассчитать мощность теплового шума для любой абсолютной температуры, то есть полностью описывает характеристики теплового шума. Поскольку прямая определяется двумя точками, то для описания характеристик теплового шума нам фактически лишь нужно взять две температурные точки и провести в них два измерения мощности шума. Если мы произведем измерение мощности на выходе некоего устройства (например усилителя), подключив к его входу согласованную нагрузку (генератор шума) при температуре T₀ = 290 K, то уравнение для мощности P₁ можно записать в таком виде:

Затем предположим, что мы нагрели согласованную нагрузку (включили генератор шума) до значения T_HOT = T₀+T_EX и снова измерили мощность P₂ на выходе усилителя. Уравнение для мощности P₂ будет иметь вид:

Отношение мощностей P₂ / P₁ исторически называется «Y-фактором» или Y (по-видимому, в связи с тем, что значения мощностей графически откладываются на оси Y — рис. 2).

Величину T_EX/T₀ или (T_HOT–T₀)/T₀ обычно называют избыточным коэффициентом шума, или ENR (excess noise ratio), и производители источников шума нормируют ее в дБ. Формула (8) чаще записывается как:

в логарифмическом виде выражение для коэффициента шума имеет вид:

Часто при измерениях коэффициента шума может использоваться другое понятие, которое также является фундаментальным, — понятие «эффективной температуры шума». Любой инженер, занимающийся измерением коэффициента шума, должен четко понимать взаимосвязь понятий «коэффициент шума» и «температура шума».

Рис. 3. Условная схема идеального приемника с согласованной нагрузкой 50 Ом на входе

Что же такое температура шума? Если 50-омный резистор с температурой 290 К подключен к входу идеального (не имеющего шумов) приемника с сопротивлением входа 50 Ом (рис. 3), то мощность шума на входе такого виртуального приемника составит:

А теперь представьте себе тестируемое устройство, например усилитель, подключенный в разрыв между 50-омным резистором и идеальным приемником (рис. 4).

Рис. 4. Условная схема измерения шума с объектом измерения, включенным в разрыв между приемником и согласованной нагрузкой 50 Ом

Шум на выходе тестируемого устройства теперь включает две составляющие. Одна из них — это усиленный шум резистора с температурой 290 К. Другая составляющая — это шум, генерируемый самим тестируемым устройством. Обратите внимание, что приемник не может различить эти две составляющие шума. Для приемника результат измерения был бы тем же, если бы тестируемое устройство было идеально и не генерировало шума, а резистор, подключенный к входу устройства, был нагрет до некоторой более высокой температуры (290+T_e ) К. В сущности, реальное тестируемое устройство может быть промоделировано как идеальное устройство, не вносящее шума, но имеющее на входе дополнительный источник шума с эквивалентной температурой T_e. Это — эффективная температура шума тестируемого устройства (или эквивалентная температура шума тестируемого устройства).

Преимущество понятия эффективной температуры шума заключается в том, что это понятие подводит общее основание под измерения случайного электрического шума, генерируемого любым источником: от транзистора на основе технологии GaAs до галактики. Есть много разновидностей электрического шума, и большинство из них не имеют тепловой природы. Однако все виды случайного шума можно выразить как эквивалентное количество теплового шума, который генерировался бы при температуре T_e. Обычно слово «эффективная» или «эквивалентная» в сочетании с «температурой шума» опускается и традиционно употребляется выражение «температура шума».

Поскольку мощность теплового шума P_А прямо пропорциональна температуре T (что следует из уравнения (1)), то значения температуры шума можно складывать, точно так же, как значения мощности шума при условии, что полоса B не меняется.

Дополнительно прояснить понятие температуры шума можно при помощи графического представления функции мощности шума от температуры (рис. 5).

Рис. 5. Графическое представление понятия эффективной шумовой температуры

Связь между фактором шума (коэффициентом шума) и температурой шума описывается следующим выражением:

В таблице даны некоторые значения для F, NF и T_e. Можно запомнить, что 0,1 дБ приблизительно соответствует 7–7,5 K.

Коэффициент шума NF, дБ

Фактор шума F

Температура шума Te, К

Источник

Блог UA3REO

Что такое коэффициент шума (Noise Figure) и зачем нужен LNA

Немного теории о применении усилителей.

Коэффициент шума — это число, с помощью которого можно определить шумовые характеристики усилителя или радиоприемника.

Начнем с соотношения сигнал / шум усилителя (SNR — Signal to Noise Rate).

Чем выше это соотношение, тем проще нам работать с сигналом и тем лучше его качество.

Теперь представим, что мы подаем сигнал мощности Psignal на усилитель. Конечно, в дополнение к сигналу, на входе усилителя будет присутствовать некоторый шум, предположим, что это Pnoise. Следовательно, выход усилителя будет включать в себя как сигнал, так и шум (его он тоже усилит на такое же количество децибел как и сигнал).

Тут важным моментом является то, что усилитель сам по себе производит шум. Это может быть тепловой шум, или несовершенство схемотехники, но количество этого шума больше нуля.
Выходит, что на входе у нас «Полезный сигнал+шум+шум усилителя», и чем больше усилителей мы поставим в цепи прохождения сигнала, тем больше «собственного шума» мы соберём (как будто нам шума эфира не хватало).

Отсюда делаем вывод, что SNR по входу усилителя всегда меньше SNR по его выходу! Мы можем усиливать сигнал сколь угодно сильно, но он обязательно станет «грязнее» оригинала.

SNR всегда будет ухудшаться при прохождении сигнала через любой микроволновый компонент! это не обязательно усилитель, также любая пассивная или активная обвязка на пути сигнала имеет свой шум.

Вернемся к показателю коэффициента шума — это то, насколько шума добавляет усилитель в полезный сигнал.

Показатель Noise Factor это отношение входящего и выходного SNR.

А Noise Figure (NF), коэффициент шума — это логарифмированное значение Noise Factor. Именно это значение указывают в даташитах малошумящих усилителей.

Рассмотрим пример: при коэффициенте шума NF в 0.6dB, из 100dB SNR полезного сигнала, до приёмника дойдёт только 87.
При NF в 2.0dB дойдёт уже 63 децибела SNR (потеряем 37 децибел сигнала).

Теперь перейдём к LNA (малошумящих усилителей).
Их располагают максимально близко к антенне, и их основной задачей является:

Входные цепи относительно простых УКВ приёмников имеют коэффициент шума в 1 и более децибелл, и если к ним придёт очень слабый сигнал, то собственные шумы приёмника его просто перекроют. Поэтому для дальних связей на УКВ/СВЧ диапазонах применяют LNA с NF 0.6 и менее.

Немного выводов к концу статьи:
1. Пассивных элементов на пути сигнала должно быть как можно меньше, NF пассивного элемента часто принимают равным затуханию в нём (2dB затухания в фильтре это 2dB NF). Поэтому пассивные элементы, в идеальном случае, располагаются только после усиления (кроме случая фильтрации сигнала до LNA для защиты от перегрузки).
2. На первых каскадах нужно усиливать сигнал с минимально возможными шумами.
3. Чем слабее сигнал приходит с антенны, тем важнее сохранить SNR приёмника, и тем выше требования к LNA. При связях через луну используют LNA с NF меньше 0.3
4. Располагать LNA не у антенны, а рядом с приёмником практически лишено смысла, т.к. сигнал уже ослаб настолько, что шумы его перекроют.

Источник