Шумовая температура

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: «Шумовая температура» - новости · газеты · книги · ученый · JSTOR ( ноябрь 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

В электронике шумовая температура - это один из способов выражения уровня доступной мощности шума, вносимого компонентом или источником. Спектральная плотность мощности шума выражаются в терминах температуры (в градусах Кельвина ) , которые будут производить , что уровень теплового шума , таким образом:

{\frac {P_{N}}{B}}=k_{B}T

куда:

$P_{N}$ мощность шума (Вт, Вт)
$B$ - общая полоса пропускания (Гц, герц), в которой измеряется мощность шума.
$k_{B}$ является постоянная Больцмана (1,381 × 10 ^-23 Дж / К, джоуль на кельвин)
$T$ шумовая температура (К, кельвин)

Таким образом, шумовая температура пропорциональна спектральной плотности мощности шума . Это мощность, которая будет поглощена от компонента или источника согласованной нагрузкой . Шумовая температура обычно является функцией частоты, в отличие от идеального резистора, которая просто равна фактической температуре резистора на всех частотах. $P_{N}/B$

Напряжение и ток шума [ править ]

Зашумленный компонент может быть смоделирован как бесшумный компонент, включенный последовательно с источником напряжения с шумом, создающим напряжение v _n , или как бесшумный компонент, подключенный параллельно с источником тока с шумом, создающим ток i _n . Это эквивалентное напряжение или ток соответствует указанной выше спектральной плотности мощности и будет иметь средний квадрат амплитуды по ширине полосы B, равной : ${\frac {P}{B}}$

{\begin{aligned}{\frac {{\bar {v}}_{n}^{2}}{B}}&=4k_{B}RT\\\\{\frac {{\bar {i}}_{n}^{2}}{B}}&=4k_{B}GT\end{aligned}}

где R представляет собой резистивную часть компоненты импеданса или G является проводимостью (реальная часть) компоненты допуска . Поэтому, говоря о шумовой температуре, предлагается справедливое сравнение компонентов с разным импедансом, а не указание напряжения шума и определение этого числа путем упоминания сопротивления компонента. Это также более доступно, чем говорить о спектральной плотности мощности шума (в ваттах на герц), поскольку она выражается как обычная температура, которую можно сравнить с уровнем шума идеального резистора при комнатной температуре (290 K).

Обратите внимание, что можно говорить только о шумовой температуре компонента или источника, импеданс которого имеет значительную (и измеримую) резистивную составляющую. Таким образом, нет смысла говорить о шумовой температуре конденсатора или источника напряжения. Шумовая температура усилителя относится к шуму, который будет добавлен на входе усилителя (относительно входного импеданса усилителя), чтобы учесть добавленный шум, наблюдаемый после усиления.

Приложение к системам связи [ править ]

Система связи обычно состоит из передатчика , канала связи и приемника . Канал связи может состоять из комбинации различных физических носителей, в результате чего на приемник подается электрический сигнал. Из какой бы физической среды ни состоял канал, передаваемый сигнал будет ослаблен и искажен аддитивным шумом . ^[1]

Аддитивный шум в приемной системе может иметь тепловое происхождение ( тепловой шум ) или может быть результатом других процессов, генерирующих шум. Большинство шумовых процессов будет иметь белый спектр, по крайней мере, в интересующей полосе частот, идентичный спектру теплового шума. Поскольку они неразличимы, вклад всех источников шума можно объединить и рассматривать как уровень теплового шума. Спектральную плотность мощности шума, создаваемую всеми этими источниками ( ), можно описать, присвоив шуму температуру, как определено выше: ^[2] $P/B$ $T$

T={\frac {P}{B}}\cdot {\frac {1}{k_{B}}}

В приемнике беспроводной связи эквивалентная шумовая температура на входе равна сумме двух шумовых температур: $T_{\text{eq}}$

T_{\text{eq}}=T_{\text{ant}}+T_{\text{sys}}

Температура антенны шум дает мощность шума видно на выходе антенны. ^[3] Шумовая температура схемы приемника представляет собой шум, создаваемый зашумленными компонентами внутри приемника. $T_{\text{ant}}$ $T_{\text{sys}}$

Обратите внимание, что это относится не к шуму на выходе приемника после усиления, а к эквивалентной мощности шума на входе . Другими словами, выходной сигнал приемника соответствует выходному сигналу бесшумного усилителя, уровень шума на входе которого не равен, а составляет . Таким образом, показателем качества системы связи является, например, не уровень шума в динамике радиоприемника, поскольку он зависит от настройки усиления приемника. Скорее мы спрашиваем, сколько шума прибавил приемник к исходному уровню шума до того, как было применено его усиление. Этот дополнительный уровень шума составляет . Если сигнал присутствует, то уменьшение отношения сигнал / шум, вызванное использованием системы приемника с шумовой температурой, пропорционально $T_{\text{eq}}$ $T_{\text{ant}}$ $T_{\text{eq}}$ $Bk_{B}T_{\text{sys}}$ $T_{\text{sys}}$ $1/T_{\text{ant}}-1/(T_{\text{ant}}+T_{\text{sys}})$ .

Коэффициент шума и коэффициент шума [ править ]

Одно из применений шумовой температуры - определение коэффициента шума системы или коэффициента шума . Коэффициент шума определяет увеличение мощности шума (относящееся к входу усилителя) из-за компонента или системы, когда его входная шумовая температура равна . $T_{0}$

F={\frac {T_{0}+T_{\text{sys}}}{T_{0}}}

$T_{0}$ принято равной комнатной температуре 290 К.

Коэффициент шума (линейный член) чаще выражается как коэффициент шума (в децибелах ) с использованием преобразования:

NF=10\log _{10}(F)

Коэффициент шума также можно рассматривать как уменьшение отношения сигнал / шум (SNR), вызванное прохождением сигнала через систему, если исходный сигнал имел шумовую температуру 290 К. Это распространенный способ выражения вносимого шума. усилителем радиочастоты независимо от коэффициента усиления усилителя. Например, предположим, что шумовая температура усилителя 870 K и, следовательно, коэффициент шума 6 дБ. Если этот усилитель используется для усиления источника, имеющего шумовую температуру около комнатной температуры (290 K), как это делают многие источники, то установка этого усилителя уменьшит SNR сигнала на 6 дБ. Это простое соотношение часто применяется, когда шум источника имеет тепловое происхождение, поскольку пассивный преобразователь часто имеет шумовую температуру, близкую к 290 К.

Однако во многих случаях шумовая температура входного источника намного выше, например, антенна на более низких частотах, где преобладает атмосферный шум. Тогда будет небольшое ухудшение отношения сигнал / шум. С другой стороны, у хорошей спутниковой тарелки, просматривающей атмосферу в космос (так, чтобы она видела гораздо более низкую шумовую температуру), отношение сигнал / шум ухудшилось бы более чем на 6 дБ. В этих случаях более уместна ссылка на шумовую температуру усилителя, а не на коэффициент шума, определенный в соответствии с комнатной температурой.

Шумовая температура каскадных устройств [ править ]

Шумовая температура усилителя обычно измеряется методом Y-фактора . Если в каскаде несколько усилителей, шумовая температура каскада может быть рассчитана с помощью уравнения Фрииса : ^[4]

T_{\text{eq}}=T_{1}+{\frac {T_{2}}{G_{1}}}+{\frac {T_{3}}{G_{1}G_{2}}}+\cdots

куда

$T_{\text{eq}}$ = результирующая шумовая температура относительно входа
$T_{1}$ = шумовая температура первого компонента в каскаде
$T_{2}$ = шумовая температура второго компонента в каскаде
$T_{3}$ = шумовая температура третьего компонента в каскаде
$G_{1}$ = усиление мощности первого компонента в каскаде
$G_{2}$ = усиление мощности второго компонента в каскаде

Следовательно, цепь усилителя может быть смоделирована как черный ящик, имеющий коэффициент усиления и коэффициент шума, определяемый выражением $G_{1}\cdot G_{2}\cdot G_{3}\cdots$ $NF=10\log _{10}(1+T_{\text{eq}}/290)$ . В обычном случае, когда коэффициенты усиления каскадов усилителя намного больше единицы, можно видеть, что шумовые температуры более ранних каскадов имеют гораздо большее влияние на результирующую шумовую температуру, чем более поздние в цепи. Можно понять, что шум, вносимый, например, первым каскадом, усиливается всеми каскадами, тогда как шум, вносимый более поздними каскадами, подвергается меньшему усилению. С другой стороны, сигнал, подаваемый на более поздний этап, уже имеет высокий уровень шума из-за усиления шума предыдущими этапами, поэтому вклад шума этого этапа в уже усиленный сигнал имеет меньшее значение.

Это объясняет, почему качество предусилителя или ВЧ-усилителя имеет особое значение в цепи усилителя. В большинстве случаев необходимо учитывать только коэффициент шума первой ступени. Однако необходимо убедиться, что коэффициент шума второго каскада не настолько высок (или что коэффициент усиления первого каскада настолько низок), чтобы в любом случае было ухудшение отношения сигнал / шум из-за второго каскада. Это будет проблемой, если коэффициент шума первого каскада плюс усиление этого каскада (в децибелах) не намного больше, чем коэффициент шума второго каскада.

Одно из следствий уравнения Фрииса состоит в том, что аттенюатор перед первым усилителем будет ухудшать коэффициент шума из-за усилителя. Например, если ступень 1 представляет собой аттенюатор на 6 дБ , то тогда . Фактически шумовая температура усилителя была увеличена в четыре раза в дополнение к (меньшему) вкладу самого аттенюатора (обычно комнатная температура, если аттенюатор состоит из резисторов ). Антенна с низкой эффективностью является примером этого принципа, который отражает эффективность антенны. $G_{1}={\frac {1}{4}}$ $T_{\text{eq}}=T_{1}+4T_{2}+\cdots$ $T_{2}$ $T_{1}$ $G_{1}$

См. Также [ править ]

Спектральная плотность шума

Ссылки [ править ]

^ Проакис, Джон Г. и Масуд Салехи. Основы систем связи . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall, 2005. ISBN 0-13-147135-X .
Перейти ↑ Skolnik, Merrill I., Radar Handbook (2nd Edition). Макгроу-Хилл, 1990. ISBN 978-0-07-057913-2
^ Физическая температура антенны обычно практически не влияет на $T_{\text{ant}}$
^ Макклэнинг, Кевин и Том Вито. Дизайн радиоприемника. Атланта, Джорджия: Noble Publishing Corporation, 2000. ISBN 1-884932-07-X .

[1] Проакис, Джон Г. и Масуд Салехи. Основы систем связи . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall, 2005. ISBN 0-13-147135-X .

[2] Перейти ↑ Skolnik, Merrill I., Radar Handbook (2nd Edition). Макгроу-Хилл, 1990. ISBN 978-0-07-057913-2

[3] Физическая температура антенны обычно практически не влияет на $T_{\text{ant}}$

[mcclaning-4] Макклэнинг, Кевин и Том Вито. Дизайн радиоприемника. Атланта, Джорджия: Noble Publishing Corporation, 2000. ISBN 1-884932-07-X .

[1]