Основи на шумовата фигура (NF): какво е това и как да го използвате, за да ви помогне да проектирате приемник - единична сцена.

Фигура на шума (NF): мит, както и важен RF параметър.

Това е един от термините, че много хора от РФ имат трудности да разберат и прилагат наистина.

Има сложни формули, които ви объркват много, след като работите през тях.

И може да имате затруднения да ги приложите правилно, за да проектирате приемник.

Когато проектирате схеми за използване с изключително слаби сигнали, шумът е важно значение.

Фигура на шума (NF) е мярка за това колко устройство влошава съотношението сигнал / шум (SNR), като по-ниските стойности показват по-добра производителност.

Приносът на шума на всяко устройство в пътя на сигнала трябва да бъде достатъчно нисък, за да не влоши значително съотношението сигнал / шум.

Ще ви покажа онези лесни и често срещани RF понятия и в крайна сметка ще можете да проектирате и завършвате RF проекти и продаваеми продукти за много кратко време, без да правите много грешки.

Ще осигуря и няколко ресурса за тези от вас, които биха искали да научат по-модерни подробности.

Какво е "kTB"?
Преди да обсъдим фактора на шума и шумовата фигура, трябва да знаем по-добре за шума от приемника.

Първото нещо, което трябва да знаем е, че навсякъде в пространството има топлинен шум и това е минималната мощност на шума, с която трябва да се изправим и да се справим.

Няма начин да се отървем от него.

Дизайнът на приемника би бил много по-лесен, ако този основен шум не съществуваше.

Всички други видове шум не са желателни и трябва да направим всичко възможно да ги намалим.

Обикновено ние изразяваме шум във ватове, тъй като това е един вид мощност.

Амплитудата на тази топлинна мощност на шум е:

Топлинен шум = k (джоули / ˚K) × T (˚K) × B (Hz)

Където k е константата на Болтцман в Joules / ˚K, T е температура в ° Kelvin (° K), а B е широчината на честотната лента в Hz.

Ако,
к = 1.38 х 10-23
T = 290 ° K (еквивалентно на 17 ° C или 62.6 ° F)
И
В = 1Hz
След това,
Thermal Noise =1.38×10−23×290×1
= 4.002 х 10-21W / Hz
= 4.002 х 10-18mW / Hz

Ако го преобразуваме в dBm, тогава,
4.002×10−18mW/Hz=10log(4.002×10−18)
= 6.0-180 = -174dBm / Hz
Това е количеството топлинна мощност на шум в честотна лента от 1 Hz при 17 ° C и трябва да запомните наизуст този номер, преди да работите с фигура на шум.

Топлинен шум и температура:

Таблицата по-долу показва топлинния шум на херц спрямо температурата:

Както можете да видите в тази таблица, разликата в топлинния шум между тези 2 екстремни температури -40 ° C и 75 ° C е само

-173.2-174.9 = 1.7dBm

Следователно, за улеснение, обикновено приемаме средното число 17 ° C (290 ° K) и -174 dBm като референции.

Термичен шум и честотна лента на работа:

За 1 MHz честотна лента,

Топлинен шум = −174dBm + 10log (1 × 106)

= -114dBm

Ще обгърнем „топлинния шум“ с 2 въпроса, за да проверим колко знаете за този термин. Трябва да го знаете добре, преди да продължите да виждате този важен параметър „Фигура на шума“, който ще обсъдим по-долу:

Q1:  Колко dBm на херц е топлинният шум при -25 ° C?

Ans.     -174.7 dBm

Q2: Колко dBm е общият топлинен шум с честотна лента 250 kHz при 65 ° C?

Ans.     -119.3 dBm


Коефициент на сигнал към шум (SNR)
 


Чувствителността на приемника е мярка за способността на приемника да демодулира и да получава информация от слаб сигнал. Определяме количествено чувствителността като най-ниското ниво на мощност на сигнала, от което можем да получим полезна информация.

Най-слабият сигнал, който приемникът може да различи, е функция от това колко топлинен шум добавя приемникът към сигнала. Съотношението сигнал / шум е най-удобният начин за определяне на този ефект.

За съотношение на входния сигнал / шум,

SNRin = Sin / Нин

Където Sin е нивото на входния сигнал и Nin е нивото на входния шум.

За съотношение на изходния сигнал / шум,

SNRout = Sout / Nout

Където Sout е нивото на изходния сигнал и Nout е нивото на изходния шум.

Тъй като kTB е навсякъде, Sout / Nout никога не може да бъде по-добър от Sin / Nin. Следователно, най-добрата ситуация, която може да имате е:

Sout / Nout = Sin / Nin, (SNRout = SNRin)
 
Фактор на шума (F) &
Фигура на шума (NF)
Трябва да определим тези два термина „фактор на шума“ и „фигура на шума“, преди да продължим по-нататък.

Шум фактор (F) = Sin / NinSout / Nout = SNRinSNRout
Коефициентът на шум е мярка за това, как съотношението сигнал / шум се разгражда от устройство.

Трябва да запомните тази дефиниция наизуст, преди да успеете да работите с Noise Figure.

Една перфектна електронна схема (която не съществува) би имала коефициент на шум 1.

В реалния свят той винаги е по-голям от 1.

И просто,

= Дневник (SNRin) -log (SNRout)

Фигурата за шум винаги е по-голяма от 0 dB.

Бих искал да обясня тези 2 важни термина, като използвам 3 примера по-долу и се надявам, че ще ви отнеме време да следвате всяка една стъпка.

Пример №1
Ако електронната схема е прозрачна, тогава усилването е 0, нивото на вътрешния шум Nckt също е 0.

Ans.

Тъй като Sin = Sout и Nin = Nout

Коефициент на шум (F) = 1 и

Фигура на шума (NF) = 10log (1) = 0

Този тип схема почти не съществува.

Пример №2
Ако електронната схема е 6 dB резистор π мрежов атенюатор (-6 DB), какъв е шумният фактор?

Ans.

И Sin, и Nin имат 6 dB загуби, така че

Sout = (1/4) Грех и уж,

Nout = (1/4) Нин

Но минималният топлинен шум навсякъде е kTB.

Така че,
Nout = КТБ
Ето защо,
Шум фактор (F) = Sin / NinSout / Nout
= Sin / КТБ (1/4) Sin / КТБ = 4
И
Фигура на шума (NF) = 10log (4) = 6dB
Цифрата на шума е точно същата като затихването 6dB, както се очакваше.

Пример №3

Усилвателят има усилване от 12 dB, а шумовата стойност е 3 dB,

а) какво е нивото на шума на Hz (в dBm) на изходния порт, и

(б) какъв е допълнителният шум на Hz (в dBm), създаден в този усилвател?




Ans.

(А).
От,
Така че,

Sout = 16 х Sin

Sin / Nin16Sin / Nout = 1.995

Ето защо, нивото на шума (в dBm) на изходния порт е:

=10log31.9+10logkTB=15.0−174

= -159.0dBm

(Б).

И

Nout = 16 х Нин + (х + 1) = КТБ (17 + х) КТБ

F = Sin / kTB16Sin / (17 + х) КТБ = 2

След няколко стъпки на работа

x = 15

Така че допълнителният шум (в dBm), създаден в този усилвател, е:

15kTB=15×4.0×10−18mW

= 6.0 х 10-17mW = -162.2dBm

 

Добре, време за приключване на тази статия. Искате ли да знаете дали наистина разбирате какво е Noise Figure и как да го използвате? Разберете от тези 2 въпроса:

Q1: LNA има усилване от 20 dB. Ако измереното ниво на шума на изходния порт е -152 dBm / Hz, тогава какъв е NF на този усилвател?

Отговор. 2 dB

Въпрос 2: NF на усилвателя е 1.0 dB, а честотната лента на работната честота е 200 kHz, ако измереното ниво на шума на изходния порт е -132 dBm, каква е печалбата от този усилвател?

Отговор. 18 dB

Остави съобщение 

Списък на ЛС