Коэффициент шума

Коэффициент шума (NF) и коэффициент шума ( F ) являются показателями ухудшения отношения сигнал / шум (SNR), вызванного компонентами в сигнальной цепи . Это число, по которому можно определить производительность усилителя или радиоприемника, при этом более низкие значения указывают на лучшую производительность.

Коэффициент шума определяется как отношение выходной мощности шума устройства к его части, относящейся к тепловому шуму на входной оконечной нагрузке при стандартной температуре шума T ₀ (обычно 290  K ). Таким образом, коэффициент шума - это отношение фактического выходного шума к шуму, который остался бы, если бы само устройство не создавало шума, или отношение входного SNR к выходному SNR.

Шум фигура просто шум - фактор выражается в децибелах (дБ). ^[1]

Общие [ править ]

Коэффициент шума - это разница в децибелах (дБ) между выходным шумом реального приемника и выходным шумом «идеального» приемника с тем же общим усилением и полосой пропускания, когда приемники подключены к согласованным источникам при стандартной шумовой температуре T ₀ (обычно 290 К). Мощность шума от простой нагрузки равна kTB , где k - постоянная Больцмана , T - абсолютная температура нагрузки (например, резистора ), а B - ширина полосы измерения.

Это делает коэффициент шума полезным показателем качества для наземных систем, где эффективная температура антенны обычно близка к стандартной 290 К. В этом случае один приемник с коэффициентом шума, скажем, на 2 дБ лучше другого, будет иметь выходной сигнал отношение шума примерно на 2 дБ лучше, чем у другого. Однако в случае спутниковых систем связи, где антенна приемника направлена ​​в холодное пространство, эффективная температура антенны часто ниже 290 К. ^[2] В этих случаях улучшение коэффициента шума приемника на 2 дБ приведет к увеличению чем улучшение отношения выходного сигнала к шуму на 2 дБ. По этой причине соответствующий показатель эффективной шумовой температурыпоэтому часто используется вместо коэффициента шума для характеристики приемников спутниковой связи и малошумящих усилителей .

В гетеродинных системах мощность выходного шума включает паразитные составляющие от преобразования частоты изображения , но часть, относящаяся к тепловому шуму на входной оконечной нагрузке при стандартной шумовой температуре, включает только то, что появляется на выходе через основное преобразование частоты системы, и исключает это. которое появляется через преобразование частоты изображения .

Определение [ править ]

Коэффициент шума F системы определяется как ^[3]

где SNR _я и SNR _о являются входные и выходные отношения сигнал-шум соответственно. В SNR величины отношения мощности. Коэффициент шума NF определяется как коэффициент шума в дБ:

где SNR _{i, дБ} и SNR _{o, дБ} выражены в децибелах (дБ). Эти формулы действительны только в том случае, если входная нагрузка находится при стандартной шумовой температуре T ₀ = 290 K , хотя на практике небольшие различия в температуре не оказывают значительного влияния на значения.

Коэффициент шума устройства связан с его шумовой температурой T _e : ^[4]

${\ displaystyle F = 1 + {\ frac {T _ {\ text {e}}} {T_ {0}}}.}$

Аттенюаторы имеют коэффициент шума F, равный их коэффициенту ослабления L, когда их физическая температура равна T ₀ . В более общем случае для аттенюатора при физической температуре T шумовая температура T _e = ( L - 1) T , что дает коэффициент шума

${\ displaystyle F = 1 + {\ frac {(L-1) T} {T_ {0}}}.}$

Коэффициент шума каскадных устройств [ править ]

Если несколько устройств подключены каскадом, общий коэффициент шума можно найти по формуле Фрииса : ^[5]

${\ displaystyle F = F_ {1} + {\ frac {F_ {2} -1} {G_ {1}}} + {\ frac {F_ {3} -1} {G_ {1} G_ {2}} } + {\ frac {F_ {4} -1} {G_ {1} G_ {2} G_ {3}}} + \ cdots + {\ frac {F_ {n} -1} {G_ {1} G_ { 2} G_ {3} \ cdots G_ {n-1}}},}$

где F _n - коэффициент шума для n-го устройства, а G _n - коэффициент усиления мощности (линейный, не в дБ) n-го устройства. Первый усилитель в цепи обычно оказывает наиболее значительное влияние на общий коэффициент шума, поскольку коэффициенты шума следующих каскадов уменьшаются за счет усиления каскада. Следовательно, первый усилитель обычно имеет низкий коэффициент шума, а требования к коэффициенту шума последующих каскадов обычно более мягкие.

Коэффициент шума как функция дополнительного шума [ править ]

Источник выдает сигнал мощности и шум мощности . Усиливаются как сигнал, так и шум. Однако, помимо усиленного шума от источника, усилитель добавляет дополнительный шум к своему обозначенному выходу . Следовательно, отношение сигнал / шум на выходе усилителя ниже, чем на его входе.${\ displaystyle S_ {i}}$${\ displaystyle N_ {i}}$${\ displaystyle N_ {a}}$

Коэффициент шума может быть выражен как функция дополнительной приведенной мощности шума на выходе и коэффициента усиления по мощности.${\ displaystyle N_ {a}}$${\ displaystyle G}$

Вывод [ править ]

Из определения коэффициента шума ^[3]

${\displaystyle F={\frac {\mathrm {SNR} _{\text{i}}}{\mathrm {SNR} _{\text{o}}}}={\frac {\frac {S_{i}}{N_{i}}}{\frac {S_{o}}{N_{o}}}},}$

и предполагая, что система имеет шумный одноступенчатый усилитель. Отношение сигнал / шум этого усилителя будет включать его собственный приведенный к выходу шум , усиленный сигнал и усиленный входной шум ,${\displaystyle N_{a}}$${\displaystyle S_{i}G}$${\displaystyle N_{i}G}$

${\displaystyle {\frac {S_{o}}{N_{o}}}={\frac {S_{i}G}{N_{a}+N_{i}G}}}$

Подставляя выходное ОСШ в определение коэффициента шума, ^[6]

${\displaystyle F={\frac {\frac {S_{i}}{N_{i}}}{\frac {S_{i}G}{N_{a}+N_{i}G}}}={\frac {N_{a}+N_{i}G}{N_{i}G}}=1+{\frac {N_{a}}{N_{i}G}}}$

См. Также [ править ]

• Шум
• Шум (электронный)
• Измеритель коэффициента шума
• Уровень шума
• Тепловой шум
• Соотношение сигнал шум
• Y-фактор

Ссылки [ править ]

• Agilent (5 августа 2010 г.), Основы измерения коэффициента шума ВЧ- и СВЧ- диапазона (PDF) , Примечание по применению, 57-1

Внешние ссылки [ править ]

• Калькулятор коэффициента шума 2–30-ступенчатый каскад
• Основы и руководство по методам коэффициента шума и Y-фактора
• Коэффициент шума мобильного телефона

 Эта статья включает  материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .(в поддержку MIL-STD-188 )