Коэффициент шума РПУ

1.

Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота
Кафедра СРТС
Прием и обработка сигналов
Лекция №6
Коэффициент шума РПУ

2.

1. Общие положения
Основные источники шумов в РПУ:
•тепловые шумы резистивности, возникающие вследствие
хаотического движения электрически заряженных частиц
проводящего вещества;
•шумы параллельного
контура, причиной которых служит
комплексный характер сопротивления (проводимости) контура,
зависящий от частоты настройки;
•шумы электронных ламп, возникающие вследствие непостоянства
эмиссии катода, а также обусловленные входным сопротивлением
лампы;
•шумы транзисторов, возникающие вследствие тепловых шумов
распределенных активных сопротивлений базы и коллектора,
флуктуаций эмиттерного и коллекторного токов (дробовые шумы), а
также перераспределением токов между электродами транзистора;
•шумы антенны - на выходе антенны действуют тепловые шумы
сопротивления потерь антенны, а также шумы, возникающие в ней
вследствие приема шумовых излучений окружающей среды.

3.

Определение 1: Коэффициентом шума приемника называется
отношение полной мощности шума на выходе додетекторного тракта к
части этой мощности, которую создает включенный на вход
приемника эквивалент антенны.
N пр
Pш вых
Pш вых 0
Определение 2: Эквивалент антенны - это двухполюсник с
усредненными параметрами антенны, близкими к реальным
(вероятным) параметрам антенны .
Физический эквивалент
открытой антенны НЧ-ВЧ с
параметрами:
R1 50 Ом; C1 125 пФ;
L 20 мкГн; R2 320 Ом;
C2 400 пФ

4.

На низких и средних частотах сопротивление индуктивности мало и
эквивалентная схема может быть упрощена
На высоких частотах сопротивления конденсаторов
эквивалентная схема антенны упрощена к виду:
малы и

5.

Приемную антенну можно представить в виде генератора ЭДС Ėа или
генератора тока İа
Ea
I a Ea Ya
; Z a Ra jX a ; Ya Ga jBa ;
Za
Ra
Xa
Ga 2
; Ba 2
2
Ra X a
Ra X a2

6.

Определение 3: Эквивалентом антенны называется линейный
двухполюсник, сопротивление которого равно выходному сопротивлению
антенны.
Сопротивление ненастроенной антенны, Żа зависит от частоты
сложным образом. Если ее размеры невелики по сравнению с длиной
волны, то эквивалент антенны может быть представлен
В диапазоне НЧ (СЧ)
La
1
Ca
, тогда

7.

В диапазоне ВЧ Żа имеет сложный характер (как индуктивный, так и
емкостный).
В диапазоне ОВЧ (более коротких волнах) используют антенны,
настроенные на среднюю частоту диапазона, где антенна обладает
активным сопротивлением Rа.
Если Rа равно сопротивлению фидера, то ее соединяют с ним
непосредственно. В других случаях используют специальные согласующие
устройства.
Реальная чувствительность (ограниченная внутренними шумами)
зависит от коэффициента усиления К, уровня собственных шумов,
приведенных ко входу антенны, и требуемого порогового превышения
заданного уровня сигнала над шумами.
Определение 4: Коэффициентом шума приемника называется величина,
которая показывает, во сколько раз отношение сигнал/шум на входе
приемника больше отношения сигнал/шум на его выходе.
N пр
Pc вх / Pш вх
Pc вых / Pш вых
Pc вх Pш вых
Pш вых
Pш вых
Pc вых
,К
Pш вх Pc вых К Pш вх Pш вых 0
Pс вх

8.

Определение шумовой мощности, поступающей на вход приемника от
антенны
В частотных диапазонах, где важную роль играет коэффициент
шума, используются настроенные антенны, т.е. антенны,
сопротивление которых носит резистивный характер. Поэтому
эквивалентом антенны является резистор – источник теплового
шума. Эквивалентная схема шумящего резистора, подключенного к
входу приемника, имеет следующий вид
I
Еш а
Ra Rвх
; P I 2 Rвх ; P
Еш2 а
Ra Rвх
Еш2 а 4k T f Ra , k 1,38 10 23
2
Rвх ;
Дж
; Т 290о К
К

9.

f - полоса частот, в которой производится измерение мощности
шума.
Найдем шумовую мощность, поступающую на вход приемника:
Pш
где
Еш2 а
Ra Rвх
2
Rвх
4 Ra Rвх
Ra Rвх 2
4k T f Ra
Ra Rвх
2
Rвх k T f
4 Ra Rвх
Ra Rвх
2
k T f ,
- коэффициент согласования на входе приемника.
В режиме согласования
1 , в режиме рассогласования 1 .
Связь коэффициента шума приемника с параметрами его отдельных
каскадов
Додетекторный тракт приемника в виде каскадного соединения
включенных шумящих четырехполюсников, каждый из которых
характеризуется коэффициентом шума, коэффициентом усиления по
мощности и коэффициентом согласования на его входе.

10.

По определению
N пр
Pш вых
Pш вых 0
Pш вых0 kT f 1K1 K2 ... Kn
Pш вых Pш вых 0 Pш1K2 ... Kn Pш 2 K3 ... Kn ... Pшn K n
где Pшп - мощность шумов, генерируемая n-ым каскадом.
Для оценки мощности шума генерируемая n-ым каскадом,
воспользуемся определением коэффициента шума n – ого каскада
Pш вых п
Nп
, Pш вых 0 п pn k T f K n
Pш вых 0 п

11.

Мощность шума, генерируемая n-ым каскадом, равна
Pшn Pшвых п Pшвых 0 п pn k T f K п N n 1
Тогда
Pш вых Pш вых 0 p1 k T f N1 1 K1 K 2 ... K n
p2 k T f N 2 1 K 2 K3 ... K n ...
pn k T f K п N n 1 K n
Окончательно имеем для коэффициента шума приемника:
N пр
Pш вых
Pш вых 0
p2 N 2 1 K 2 K 3 ... K n
1 N1 1
p1
K1 K 2 ... K n
2
N n 1
pn N n 1 K n
p2 N 2 1 pn
...
N1
p1 K1 K 2 ... K n
p1
K1
p1 K1 K 2 ... K n 1

12.

На основании последнего соотношения можно сделать следующие выводы:
1. Основной вклад в коэффициент шума вносят его первые каскады.
2. Влияние последующих каскадов тем меньше, чем больше
коэффициент усиления предшествующих каскадов.
Шумовая температура приемника
Полная шумовая мощность на выходе приемника равна
Pшвых k T f p1 K Nпр
Такую же мощность можно получить на выходе идеального нешумящего
приемника с коэффициентом шума N пр 1 , если повысить температуру
эквивалента антенны на некоторую величину Т пр :
Pшвых k T Т пр f p1 K
Приравняв правые части двух последних соотношений, получим
T N пр T Т пр Т пр T 1 N пр N пр 1
Т пр
Т

13.

Шумовой
температурой
приемника
называется
величина
эквивалентного повышения шумовой температуры эквивалента
антенны, при котором выходная шумовая мощность нешумящего
идеального приемника равна выходной шумовой мощности реального
приемника.
Связь коэффициента шума и чувствительности
Определим количественную меру чувствительности приемника,
задавшись отношением сигнал/шум на выходе додетекторного тракта:
q
Pсвых
Pшвых
Входящие в последнее соотношение мощности сигнала и шума
определяются следующим образом
Рсвых Ра 0 р1 К; Ршвых k T f р1 К N пр
Теперь
q
Ра 0
Ра 0 q k T f N пр
k T f N пр

14.

Таким образом, количественная мера чувствительности по
мощности прямо пропорциональна коэффициенту шума.
Чувствительность, определенная при отношении сигнал /шум на
выходе додетекторного тракта, равном единице (q =1), называется
пороговой. Она равна
Ра 0 k T f N пр
Cпособы повышения чувствительности приемника:
1. Снижение коэффициента шума за счет применения малошумящих
входных каскадов с высоким коэффициентом усиления по мощности.
2. Сужение полосы пропускания приемников.
3. Применение помехоустойчивых демодуляторов, которые работают
при малых отношениях сигнал/шум.