Минимальный обнаруживаемый сигнал

‹Приведенный ниже шаблон ( требуется больше ссылок ) рассматривается для объединения. См. Шаблоны для обсуждения, чтобы помочь достичь консенсуса. ›

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален.
Найти источники: «Минимально обнаруживаемый сигнал» - новости · газеты · книги · ученый · JSTOR ( август 2016 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это шаблонное сообщение )

Минимальный регистрируемый сигнал представляет собой сигнал на входе системы, мощность которого позволяет ему быть обнаружено над фоном электронного шумом системы детектора. В качестве альтернативы его можно определить как сигнал, который на выходе создает отношение сигнал / шум заданного значения m . На практике m обычно выбирают больше единицы. В некоторой литературе для этого понятия используется название " чувствительность" . ^[1]

Когда результирующий сигнал затем интерпретируется человеком-оператором, как в радиолокационных системах, может использоваться соответствующий термин « минимальный различимый сигнал» . Сюда входят дополнительные факторы, такие как беспорядок и время жизни сигнала на дисплее радара . В случае только что обнаруживаемого сигнала результирующая вспышка на дисплее радара может быть слишком маленькой или слишком мимолетной, чтобы ее можно было распознать. В зависимости от того, какие эффекты учитываются, термин минимальный видимый сигнал может использоваться только для рассмотрения того, может ли сигнал быть видимым на дисплее, игнорируя другие эффекты, такие как помехи. ^[2]

Общий

В целом очевидно, что для того, чтобы приемник «увидел» сигнал, он должен быть больше минимального уровня шума. Однако для фактического обнаружения сигнала часто требуется, чтобы уровень мощности превышал минимальный уровень шума на величину, которая зависит от типа используемого обнаружения, а также от других факторов. Из этого требования есть исключения, но эти случаи выходят за рамки данной статьи. Эта необходимая разница в уровнях мощности сигнала и минимальном уровне шума известна как отношение сигнал / шум ( SNR ). Чтобы установить минимальный обнаруживаемый сигнал (MDS) приемника, нам необходимо знать несколько факторов.

Требуемое отношение сигнал / шум (SNR) в дБ
Ширина полосы обнаружения (BW) в Гц
Температура приемной системы T ₀ в кельвинах
Постоянная Больцмана k = 1,38 × 10 ^{- 23} джоуля на кельвин
Коэффициент шума приемника (NF) в дБ

Чтобы вычислить минимально обнаруживаемый сигнал, нам сначала нужно установить минимальный уровень шума в приемнике по следующему уравнению:

{\ displaystyle {\ text {Noise floor}} _ {\ text {dBm}} = 10 \ log _ {10} (k \ times T_ {0} \ times 1000) + {\ text {NF}} + 10 \ log _ {10} {\ text {BW}}.}

В качестве числового примера:

Приемник имеет полосу пропускания 100 МГц и коэффициент шума 1,5 дБ, а физическая температура системы составляет 290 кельвинов .

 Уровень шума (дБм) = 10 log (1,38 × 10 ^{- 23} × 290 x 1 × 10 ³ ) + 1,5 + 10 log (100 × 10 ⁶ ) = −174 + 1,5 + 80 (дБм) = -92,5 (дБм)

Таким образом, чтобы этот приемник даже начал «видеть» сигнал, он должен быть больше -92,5 дБмВт . Может возникнуть путаница, потому что рассчитанный выше уровень также иногда называют минимальным различимым сигналом (MDS). Для ясности мы будем называть это минимальным уровнем шума приемника. Следующим шагом является учет SNR, необходимого для используемого нами типа обнаружения. Если нам нужно, чтобы сигнал был в 10 раз мощнее, чем минимальный уровень шума, требуемое отношение сигнал / шум будет 10 дБ. Чтобы вычислить фактический минимально обнаруживаемый сигнал, нужно просто добавить требуемый SNR в дБ к минимальному уровню шума. Таким образом, для приведенного выше примера это будет означать, что минимальный обнаруживаемый сигнал:

MDS ( дБм ) = -92,5 + 10 = -82,5 ( дБм )

MDS ( дБм ) = 10Log (kTo * 1e3) + NF + 10Log (BW) + SNR ( дБ )

В этом уравнении:

kT ₀ - доступная мощность шума в полосе пропускания BW = 1 Гц при T ₀ , выраженная в ваттах . kT ₀ x 1000 - доступная мощность шума в полосе пропускания BW = 1 Гц при T ₀ , выраженная в милливаттах . T ₀ - температура системы в кельвинах , а k - постоянная Больцмана (1,38 × 10 ⁻²³ джоулей на кельвин).= -228 дБВт / (К · Гц)). Если температура системы и полоса пропускания равны 290 K и 1 Гц, то эффективная мощность шума, доступная в полосе пропускания 1 Гц от источника, составляет -174 дБмВт (на 174 дБ ниже уровня в один милливатт, взятого в качестве эталона).

Минимальный уровень шума 1 Гц: расчет мощности шума, доступной в полосе пропускания в один герц при температуре T = 290 K, определяет цифру, из которой могут быть получены все другие значения (разные полосы пропускания, температуры). Уровень шума 1 Гц соответствует мощности шума -174 дБм, поэтому полоса пропускания 1 кГц будет генерировать мощность шума -174 + 10 log ₁₀ (1 кГц) = -144 дБм (шум - это тепловой шум, шум Джонсона ).

MDS ( дБм ) = 10Log (kTo * 1e3) + NF + 10Log (BW) + SNR ( дБм )

Вышеприведенное уравнение указывает несколько способов улучшения минимально обнаруживаемого сигнала приемника. Если предположить, что полоса пропускания и SNR фиксируются приложением, то одним из способов улучшения MDS является снижение физической температуры приемников. Это снижает NF приемника за счет уменьшения внутреннего теплового шума. Эти типы приемников называются криогенными приемниками .

Определения

Коэффициент шума и коэффициент шума

Коэффициент шума ( NF ) - это коэффициент шума ( F ), выраженный в децибелах. F - это отношение отношения входного сигнала к шуму (SNR _i ) к отношению выходного сигнала к шуму (SNR _o ). F количественно определяет, насколько сигнал ухудшается по сравнению с шумом из-за присутствия зашумленной сети. Бесшумный усилитель имеет коэффициент шума F = 1, поэтому коэффициент шума для этого усилителя равен NF = 0 дБ: бесшумный усилитель не ухудшает отношение сигнал / шум, поскольку и сигнал, и шум распространяются по сети.

Если полоса пропускания, в которой измеряется информационный сигнал, оказывается не шириной 1 Гц, то термин 10 log ₁₀ (полоса пропускания) учитывает дополнительную мощность шума, присутствующую в более широкой полосе пропускания.

Соотношение сигнал шум

Отношение сигнал / шум (SNR) - это степень, в которой мощность входного сигнала превышает мощность шума в пределах интересующей полосы B. В случае некоторых цифровых систем может потребоваться разница в 10 дБ между минимальным шумом и уровнем сигнала; это отношение сигнал / шум 10 дБ позволяет коэффициенту ошибок по битам (BER) быть лучше, чем некоторая заданная цифра (например, 10 ⁻⁵ для некоторых схем QPSK). Для голосовых сигналов требуемый SNR может составлять всего 6 дБ, а для CW ( Морзе ) он может увеличиваться с помощью обученного слушателя до разницы в 1 дБ ( тангенциальная чувствительность ). Используемый в этом контексте означает, что он передает адекватную информацию для декодирования человеком или машиной с приемлемыми и определенными уровнями ошибок.

использованная литература

^ "Основы измерения коэффициента шума ВЧ и СВЧ диапазона" (PDF) . Keysight Technologies.
^ «Минимальный различимый сигнал (MDS)» . Учебник по радарам .

[1] "Основы измерения коэффициента шума ВЧ и СВЧ диапазона" (PDF) . Keysight Technologies.

[2] «Минимальный различимый сигнал (MDS)» . Учебник по радарам .

[1]