Радиоприёмные устройства. Часть 2. Помехи

1. Радиоприёмные устройства

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И
РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
ФАКУЛЬТЕТ РАДИОТЕХНИКИ И
ЭЛЕКТРОНИКИ
КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ
РАДИОТЕХНОЛОГИЙ
Радиоприёмные устройства
Слайд-шоу для цикла лекций по дисциплинам РПрУ, МиУПиОС
Доцент кафедры ИРТ , к.т.н.
КУРОЧКИН АЛЕКСАНДР ЕВДОКИМОВИЧ
[email protected]

2. Часть 2. Помехи

3. Помехи

4
Помехи
1. Помехой
является
любое
воздействие,
искажающее
факт
приема.
2. Электромагнитной помехой является
постороннее
электромагнитное
колебание.
3. Радиопомеха
электромагнитная
помеха в диапазоне радиочастот.

4. Помехи радиоприему

По месту происхождения:
атмосферные;
индустриальные;
излучение сторонних станций;
космические;
внутренние
По структуре помехи:
Квазигармонические.
U п U mk cos( k t )
По характеру действия на прием:
пассивные;
активные.
По характеру воздействия на тракт:
мультипликативные;
аддитивные
Квазиимпульсные.
t
п
mп
Гладкие.
U U e

5. Внешние помехи

EП,
мкВ/м
10
3
2
5
1
0,1
4
0,01
0,001
1
f, МГц
0,1
1
10 100 1000 10000
1 - средний уровень атмосферных помех днем; 2 - ночью; 3 - средний
уровень промышленных помех в городе; 4 - уровень космических
помех; 5 – собственные шумы РПрУ

6. Метод спектральных функций

Спектральная
плотность энергии
Спектральная
плотность мощности
dЭ
Ns
d
Ns
S lim
Т Т
Теорема Парсеваля
Э
Pш S f
1
2
G
( )d
0
G ( ) U (t )e j t dt

7. Вероятностно-статистический метод

p
Нормальное распределение или
распределение плотности вероятности Гаусса:
(U U) 2
p
exp(
)
2
2
2 2
1
U
2
2
ш
dUш2
S
df
S kT
Распределение Рэлея
вероятностей случайной
величины с плотностью:
2
w
U
Uш2
exp(
U
2Uш2
)
Наиболее
вероятная
количественная
оценка шума –
эффективное
значение
U
w
U
0,6
1

8. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ШУМОВЫЕ СХЕМЫ

Шумы резисторов
R
eш
iш
G
Формула Найквиста:
e 4kTR f
2
ш
i 4kTG f
2
ш

9. Формула Найквиста

eш
i шн =
R+R н
R
2
e
2
шR н
Pш =iшн R н =
(R+R н ) 2
R=R н
eш2
Pш max =
4R
eш2 =4Pшmax R
Pш.max =S f=kT f
eш2 =4kTR f
eш
iшн
Rн

10. Последовательное соединение резисторов

eш2
R1
R
R2
eшΣ
eш1
eш
e
2
ш
n
e 4kTR f
i 1
2
шi
n
R Ri
i 1
4kT1R1 f 4kT2 R 2 f 4kT3R 3 f ... 4kTэ R f
Tn Rn
T1 R1 T2 R2
Tэ
...
R
R
R

11. Шумы колебательного контура

5
Шумы колебательного контура
f2
еш 4kT Re Z ( f )df
2
f1
2 2
L Roe
Z 2
jb;
2
2
2 2
R (1 LC ) L
oe
C
Roe
L
Roe
1
Re( Z )
Roe
2
2
2
2
1
Roe
1 2 2 1 2
L 0
1
2
eш 4kTRoe
df 4kTRoe f эф
2
1
0

12. Эффективная шумовая полоса

K2(f)
Равные площади
1
0,5
f0
Шумы вне полосы
пропускания
f 0,707
Формирование
прямоугольника
f эф
f эф f 0,707 1,57 f 0,707
2
f
f эф k p f 0,707
k p (1 )
2

13. Шумы усилительных элементов

1. Тепловые шумы.
2. Дробовые шумы.
3. Фликкер-шумы .
4. Рекомбинационный шум.
5. Шумы флуктуации токораспределения.
6. Шумы, обусловленные инерционностью электронного потока.
7. Шумы лавинного умножения
8. Микроплазменные шумы
9. Взрывной шум
10. Шумы ионизации остатков газа
11. Шумы вторичной эмиссии
Дробовые шумы:
формула Шоттки
Тепловые шумы:
формула Найквиста
i 2eI a f
e 4kTR f
2
ш
2
ш

14. Эквивалентные шумовые схемы

eш2 4kTRш f
eш2 4kTш Rвх f
Pс1
Rш
Pс1
Pш1
Pвн
С ш вх
Pш1
Рш 2
Kш
С
К р Рш1
ш вых Pс 2
eш
Kp
Pш 2
e2швн
Pш1К р Pвн К р
К
1 2 1
Pс2 ш
Pш1К р
eшс
Pш2
4kTш R вх f
Tш R вх
Tш
1
1
1 tш
4kTR c f
TR c
T
Входная шумовая температура – определяет
собственные шумы четырёхполюсника,
приведенные к его входу
Тш Т Кш 1
Выходная шумовая температура – определяет
шумы на выходе четырёхполюсника
Т швых ТК ш К р

15. Шумовые характеристики транзисторов

Кш, дБ
5
4
GaAs
InP
БТ
3
GaInAs
2
ПТШ
1
100
AlGaAs
102
104
106
108
1010
1012
1014 f, Гц

16. HEMT транзисторы

1979 г. Такаши Мимура (Fujitsu Laboratories)
High Electron Mobility Transistor
( А – нелегированный GaAs, В – спейсер нелегированный
слой AlGaAs, С – барьерный слой –N+AlGaAs, D – контактный
слой –n+GaAs).

17. HEMT транзисторы

Тип
Производитель Диапазон частот Затвор, Fизм.,
ГГц
мкм ГГц
NF, дБ Ga, дБ
Режим измерения
Uси / Iс
ATF-33143
ATF-34143
ATF-38143
ATF-58143
ATF-36077
Agilent
0,45 - 6
0,45 - 6
0,45 - 6
0,45 - 6
2 - 18
1600
800
800
0,2 х 200
2
2
2
2
12
0,5
0,5
0,4
0,5
0,5
15
17,5
16
17,7
12
4 В / 80 мА
4 В / 60 мА
2 В / 10 мА
4 В / 30 мА
1,5 В/10 мА
NE3210S01
NE4210S01
NE4211M01
NE429M01
NE34018
NE38018
NEC
до 18
до 18
до 18
до 18
до 6
до 6
0,2 х 160
0,2 х 160
160
0,3 x 200
0,6 х 400
0,6 х 800
12
12
12
12
2
2
0,35 13,5
0,5
13
0,75 12
0,9
10
0,6
16
0,55 14,5
2 В / 10 мА
2 В / 10 мА
2 В / 10 мА
2 В / 10 мА
2 В / 5 мА
2 В / 5 мА
-
FHC40LG
FHX05LG
FHX13LG
FHX35LG
MGF4953
MGF4954
Fujitsu
до 12
до 18
до 18
до 18
до 18
до 18
0,15 х 280
0,25 х 200
0,15 х 200
0,25 х 280
-
4
12
12
12
12
12
0,3
0,9
0,45
1,2
0,4
0,6
2 В / 10 мА
2 В / 10 мА
2 В / 10 мА
3 В / 10 мА
2 В / 10 мА
2 В / 10 мА
-
Mitsubishi
15,5
10,5
13,0
10
13,5
13,5
P1дБ, Режим измерения
дБм
Uси / Iс
4 В / 80 мА
4 В / 60 мА
2 В / 10 мА
4 В / 30 мА
1,5 В/10 мА
+22
+20
+12
+21
+5
+15
+17…18
3 В / 30 мА
3 В / 30 мА

18. MOSFET транзисторы

Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
pn-переход
окисел
Подложка из
полупроводника
(кремний)
Тип
Фирмапроизв.
G,
дБ
NF,
дБ
Режим измерения
Uси, В Iс, мА f, мГц
Idss,
мА
C вх.,
пФ
С вых,
пФ
S525T
BF543
BF999
Vishay
Infineon
Infineon
25
22
25
1,0
1,0
1,0
10
10
10
5…14
2…6
5…18
2,7
2,7
2,5
1,0
0,9
1,0
10
4
10
200
200
200

19. MЕSFET транзисторы

Metal-Semiconductor Field Effect Transistor
Выпрямляющий
контакт металлполупроводник
Омический
контакт металлполупроводник
окисел
Подложка из
полупроводника
(AsGa)

20. MЕSFET транзисторы

Тип
Фирма
Диапазон
Fизм., ГГц NF, дБ
Ga, дБ
частот , ГГц
Режим
P1дБ,
Режим
измерения дБм
измерения
NE71383B NEC
до 18
12
1,6
9,5
3 В / 10 мА
+14,5
3 В / 30 мА
NE722S01
до 12
4
0,9
12
3 В / 10 мА
+15
3 В / 30 мА
до 4
2
0,55
18,5
3 В / 10 мА
+20
6 В / 40 мА
FSU02LG
до 4
2
1,5
17,5
3 В / 20 мА
+23
6 В / 80 мА
FSX017WF
до 12
8
2,5
10,5
3 В / 10 мА
+21,5
8 В / 40 мА
FSX027WF
до 12
8
2,5
9,5
3 В / 30 мА
+24,5
8 В / 80 мА
до 3
0,8
1,2
18
3,3 В / 70 мА
+18
5 В / 140 мА
FH1
до 3
0,8
1,2
18
3,3 В / 70 мА
+21
5 В / 140 мА
FHF1
3-6
3
2,4
12
3,3 В / 70 мА
+21
5 В / 140 мА
FSU01LG
FH101
Fujitsu
WJ

21. Графеновые транзисторы

Графе́н (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода,
образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом
Самая высокая подвижность электронов среди всех известных материалов
делает его перспективным материалом для возможной замены кремния в
интегральных микросхемах.
За «передовые опыты с двумерным материалом — графеном» А. К. Гейму и
К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010
год

22. Метод шумящего четырехполюсника

eшс
Zс
еc
eш
Zвх
Нешумящий
четырехполюсник
iш
Шумящий четырехполюсник
iш =4kTG ш f
eш =4kTR ш f
2
*
*
*
*
*
Uш
=U
U
=(e
+e
+i
Z
)(e
+e
+i
Z
шΣ
шΣ
шc
ш
ш
c
шс
ш
ш
с )=
=e
2
шc
2
ш
+e +i
2
ш
=e
2
шc
2
ш
2
ш
+e +i
Zc
Zc
2
+e ш i*ш Z*с +e*ш i ш Zс =
2
+2Re(e*ш i ш Zс )
i ш =i шн +i шз =i шн +еш Yкор
2
U =e +e +i Zc +2Re(еш2 Yкор Zc )
2
ш
2
шc
2
ш
2
ш

23. Метод шумящего четырехполюсника

Uø2 =Uø Σ U*шΣ =(eшc +eш +i ш Zc/ )[e*шс +e*ш +i*ш (Zс/ )* ]
g jb
g jb
1
Re Y
Im Y
Z Re Z jIm Z
2
j
2
*
(g jb )(g jb ) g jb
Y
Y Y
Y Y*
2
Uш
(e шc +e ш +i ш
=e
2
шc
2
ш
+e +i
2
ш
1
1
)(e*шс +e*ш +i*ш *
)=
*
Yc Yвх
Yc Yвх
1
1
1
*
+e i
+e ш i ш
=
2
*
*
Yc Yвх
Yc Yвх
Yc Yвх
2
2
2
=eшc
+eш
+i ш
*
ш ш
1
Yc Yвх
*
+2Re(e
шiш
2
1
)
Yc Yвх
i ш =i шн +i шз =i шн +еш Yкор
2
ш
2
шc
2
ш
U =e +e +i
2
ш
1
1
+2Re(е Yкор
)
2
Yc Yвх
Yc Yвх
2
ш

24. Метод шумящего четырехполюсника

2
2
e
4kT
Re
Z
f
Z
2
2
2
2
2
шc
c
c
U шc
=i шс
Zвх
Z
Z
вх
вх
2
2
2
(Zc Zвх )
(Zc Zвх )
Zc
2
4kT Re Zc f
Zc2 Zвх
4kT Re Yc f
4kTg c f
1
Zc2
(Zc Zвх ) 2
Zc2 Yc Yc* (Yc Yвх ) 2 Y Y 2
c
1
e +i
+2Re(e i
)
2
Yc Yвх
Yc Yвх
U ш2
K ш =1+ 2 =1+
1
U шc
4kT Re Yc f
2
Yc Yвх
2
ш
1
2
ш
*
ш ш
2
4kT f R ш Yc Yвх +G ш +2Re[R ш Yкор (Yc* +Yвх* )]
=1+
4kT f ReYc
2
=1+
R ш Yc Yвх +G ш +2Re[R ш Yкор (Yc* +Yвх* )]
ReYc
вх

25. Минимальный коэффициент шума

2
K ш =1+
*
c
*
вх
R ш Yвх +Yc +G ш +2Re[R ш Yкор (Y +Y )]
gc
K ш
=0
bc
K ш
=0
g c
Gш
2
g
=
g
+
2
g
g
b
bcопт = - (bкор +bвх ) с опт
вх кор
кор
Rш
2
вх
При gвх=0:
Gш 2
K шмин 1 2R ш gкор gсопт gвх =1 2R ш gкор
bкор
Rш

26. Коэффициент шума пассивного четырехполюсника

6
Коэффициент шума пассивного
четырехполюсника
Kp
Rc
Rвх
Rвых
Ршвых
kT f
1
Кш
Ршвх К р kT fK p К р
Rн

27. Каскадное соединение четырехполюсников

Pc1
1
Pвн1
Pш1
Kp1
2
Pвн2
Kp2
3
Pвн3
Kp3
4
Pвн4
Kp4
Pc4
Pш4
Pвн4.вых =Pвн4K p4
Pвн3.вых =Pвн3K p3K p4
Pвн2.вых =Pвн2K p2K p3K p4
Анимация
Pвн1.вых =Pвн1K p1K p2K p3K p4
Шум
Шум 3-го
4-го
1-го
2-го
В
результате
при
одинаковых
уровнях
собственных
шумов
и
Уровень шумов каждого каскада на выходе тракта возрастает
каскада
на
каскада
на
значениях
коэффициентов
передачи
суммарные
шумы
на
выходе
пропорционально произведению коэффициентов передачи
каскадов
выходе
тракта
выходе
тракта
тракта определяются в основном шумами первого каскада

28. Каскадное соединение четырехполюсников

Pc1
1
Pвн1
Pш1
Kp1
2
Pвн2
Kp2
3
Pвн3
Kp3
4
Pвн4
Kp4
Pc4
Pш4
Pвн1=kTш1 Fэф
kTш2 Fэф
/
Pвн2 =
K p1
kTш3 Fэф
/
Pвн3 =
K p1K p2
kTш4 Fэф
/
Pвн4 =
K p1K p 2K p 3
1-го
2-го
Шум 4-го
3-го
Шумы каждого
каскада,
приведенные
к входу тракта,
Вкаскада
результате
при больших
значениях
коэффициентов
передачи
уменьшаются
пропорционально
произведению
коэффициентов
суммарные шумы
тракта определяются
в основном
шумами
передачи
предыдущих
каскадов
первого
каскада
/
/
/
Pш =Pвн1 Pвн2
Pвн3
Pвн4
P
K ш =1+ ш
Pш1
Анимация

29. Каскадное соединение четырехполюсников

P
K ø = ø .âõ =
Pø 1
q1kTî Fýô +q1kTø 1 Fýô
=
q 2 kTø 2 Fýô
K p1
q3kTø 3 Fýô
K p1K p2
q 4 kTø 4 Fýô
K p1K p2 K p3
q1kTî Fýô
q3Tø 3
Tø 1 q 2Tø 2
q 4Tø 4
1
Tî
q1K p1Tî q1K p1K p2Tî q1K p1K p2K p3Tî
q3Tø 3
q 2Tø 2
q 4Tø 4
T
1
1 Tø 1
1+ ø
Tî
q1K p1 q1K p1K p2 q1K p1K p2 K p3
To
(Ê ø 2 1)Tî (Ê ø 3 1)Tî
(Ê ø 4 1)Tî
1
1 (Ê ø 1 1)Tî
Tî
K p01
K p01K p02 K p01K p02 K p03
Êø 1
(Ê ø 2 1) (Ê ø 3 1)
(Ê ø 4 1)
.
K p01
K p01K p02 K p01K p02 K p03

30. Каскадное соединение четырехполюсников

1
Pc1
3 Pс3
2
Рвн1
Кp1
Pвн2
Kp2
Pш3
Pш1
K ш3 -1
K ш2 -1
K шi -1
K ш =K ш1 +
+
+...+
K pо1 K pо1K pо 2
K pо1...K pоi-1
Т ш3
Т ш2
Tшi
Т ш =Т ш1 +
+
+...+
К ро1 К ро1К ро 2
K pо1...K pоi-1
К роi =К рi
Kш 1
qiвх
qi+1вх
Рвнi
Ршc
f эфi
f эф1 K ш2 -1 f эф2
K ш3 -1 f эф3
K шi -1
K ш =K ш1
+
+
+...+
f эф K pо1 f эф K pо1K pо2 f эф
K pо1...K pоi-1 f эф

31. Связь коэффициента шума и чувствительности

Рс / Ршс
Kш
Рсвых / Ршвых
Рсвых
Ршвых
Рс Рс min Ршс К ш kТ 0 f эф K ш
Рс min kТ ш f эф
Т ш T0 Кш T0 Tш

32. Расчет реальной чувствительности

Антенна
KшА , KpА
К шф -1
Фидер
Kшф , Kpф
РПрУ
Kшпр , Kpпр
К шпр -1
К шпр 1 TА К шпр
TА
1
К ш =К шА +
+
=1+ +
-1+
= +
К рА К рА К рф
T K pф
К рф К рф T К рф
К шпр
Т ш TА К шпр
Т ш =TА +T(
-1)
К шΣ =1+
= +
К рф
T
T К рф
Р сmin = kТ ш f эф = k[TА +T(
Рс min
Ec2min
4 RА
К шпр
К рф
-1)] f эф К шпрдоп К рф (
Р сmin
kT f эф
Eс min 4kТ ш RА f эф
-t А +1)