Блог

Aug 11, 2023

Концепции коэффициента шума: коэффициент усиления мощности, компоненты с потерями и каскадные системы

Понятие коэффициента шума достаточно интуитивно понятно и должно характеризовать

Концепция коэффициента шума достаточно интуитивно понятна и призвана характеризовать ухудшение отношения сигнал/шум (отношение сигнал/шум) при прохождении сигнала через компонент. Однако в определении коэффициента шума скрыто несколько тонкостей, которым иногда уделяется недостаточно внимания. Одна сложность, которую необходимо полностью понять, заключается в том, что значение коэффициента шума указано для известного сопротивления источника (обычно 50 Ом) при стандартной температуре 290 К.

В этой статье мы обсудим еще одну важную тонкость, а именно тип коэффициента усиления, используемый при определении коэффициента шума. После этого мы рассмотрим коэффициент шума компонентов с потерями, а также каскадных систем.

Коэффициент шума (F) определяется как отношение SNR на входе к SNR на выходе:

\[F=\frac{\frac{S_i}{N_i}}{\frac{S_o}{N_o}}\]

Где:

Подстановка So = GASi дает следующее альтернативное уравнение:

\[F=\frac{N_o}{G_A N_i}\]

Где GA — доступный коэффициент усиления схемы.

Далее давайте взглянем на определение доступного коэффициента усиления мощности.

На рисунке 1 показано, как рассчитывается доступный коэффициент усиления мощности модуля для заданного импеданса источника ZS = RS + jXS.

Предположим, что входное и выходное сопротивление модуля равно ZIn = RIn + jXIn и Zout = Rout + jXout. Как показано на рисунке 1(a), мы можем подключить выход модуля к сопряженно-согласованной нагрузке, т. е. ZL = Rout – jXout, и измерить мощность, подаваемую на нагрузку, PL. Поскольку выходной сигнал сопряженно согласован, PL — это доступная мощность сети PAVN.

Другая необходимая величина — это доступная мощность источника PAVS. Это мощность, которую источник передает комплексному сопряжению ZS, как показано на рисунке 1(b). Отношение ПАВН к ПАВС определяется как располагаемый коэффициент усиления мощности модуля GA:

\[G_A = \frac{P_{AVN}}{P_{AVS}}\]

Доступный коэффициент усиления зависит от ZS, но не от ZL. Это связано с тем, что импеданс нагрузки по определению является комплексно-сопряженным соответствием выходного импеданса модуля и, таким образом, уже задан выходным импедансом модуля. Имейте в виду, что доступное усиление учитывает несоответствие между источником и входом ИУ (тестируемого устройства).

В определении коэффициента шума (уравнение 1) Si — доступная мощность источника сигнала, а So — выходная мощность, которая может быть передана в согласованную нагрузку. Следовательно, соотношение So/Si соответствует определению располагаемого коэффициента усиления мощности. Имейте в виду, что в радиочастотной работе существует несколько различных определений коэффициента усиления мощности, таких как коэффициент усиления мощности преобразователя и коэффициент усиления вносимой мощности. Если в наших расчетах коэффициента коэффициента мощности мы используем коэффициент усиления по мощности, отличный от доступного коэффициента усиления, мы получим аппроксимацию фактического значения коэффициента шума. Например, практические методы измерения коэффициента шума чаще всего определяют вносимый коэффициент усиления тестируемого устройства. Использование вносимого усиления вместо доступного усиления может привести к ошибкам в наших измерениях коэффициента шума.

Также стоит отметить, что доступное усиление полезно при работе с каскадом ступеней. Общий доступный коэффициент усиления каскада равен произведению отдельных доступных коэффициентов усиления. Чтобы найти доступное усиление каскада, доступное усиление каждого каскада должно быть задано для импеданса источника, равного выходному сопротивлению предыдущего каскада.

При проектировании радиочастотных систем мы иногда считаем необходимым внести потери в определенной точке сигнальной цепи. Например, в тестовых и измерительных приложениях мы можем уменьшить неопределенность рассогласования с помощью аттенюаторов. Пассивная схема, ослабляющая сигнал, должна иметь физическое сопротивление, а мы знаем, что резисторы создают тепловой шум. Таким образом, пассивные аттенюаторы ухудшают характеристики SNR. Давайте посмотрим, как мы можем определить коэффициент шума этих компонентов. В качестве примера рассмотрим аттенюатор Т-типа на 6 дБ, предназначенный для системы с сопротивлением 50 Ом, как показано ниже (рис. 2).