Шумовые параметры приемного устройства

Существуют два основных вида внутренних шумов в электрон­ных устройствах: тепловой шум и дробовой шум (название получил за шум, подобный шуму, создаваемому при падении дроби на ме­таллическую поверхность). Внутренний дробовой шум прерывистый и носит случайный характер. Образуется беспорядочными измене­ниями тока в электрических цепях приемных устройств и в их элек­тронных компонентах (в диодах, транзисторах, микросхемах и т.д. при инжекции электронов и дырок). Дробовой шум - это случайный, непредсказуемый процесс, что затрудняет его измерение. Он не зависит от частоты, т.е. является белым шумом.

Другой вид шума - тепловой. Он порождается хаотическим дви­жением свободных электронов в кристаллических решетках веще­ства, из которого состоит проводник, точнее сопротивление. Его уровень не зависит ни от величины тока, протекающего через со­противление, ни от величины напряжения, приложенного к этому сопротивлению. Тепловой шум является также белым шумом.

Вследствие теплового движения молекул, тепловой шум присут­ствует во всех веществах, имеющих температуру выше абсолютно­го нуля. Спектр теплового шума очень широк и охватывает весь радиочастотный спектр. Тепловой шум изменяется с изменением температуры окружающей среды. Поэтому для его характеристики используется понятие "шумовая температура"⁸.

При температуре абсолютного нуля (О К или -273 °С) шум пре­кращается, а при комнатной (290 К или +17° С) шум увеличивается на + 3 дБ. В качестве шумовых характеристик приемных устройств употребляются понятия:

□ - шумовая температура, в К;

□ - коэффициент шума (шум-фактор, Noise figure) приемного устройства, дБ. Он является сложной функцией многих перемен­ных: полного сопротивления источника сигнала - антенны, пара­метров электронных компонентов приемного устройства и др.

Коэффициент шума - это отношение мощности шума на выходе при­емного устройства (пересчитанной на его вход) к мощности шума на его входе (в точке подключения антенны).

Понятия шумовой температуры и коэффициента шума взаимо­связаны между собой графической зависимостью (рис. 2.7).

 

 

 

Рис.2.7.Взаимозависимости шумовой температуры и коэффициента шума

Их аналитическая зависимость описывается формулой:

(2.5)

Атмосферные шумы. Атмосферные шумы обусловлены при­сутствием в атмосфере кислорода, водяных паров и, особенно, за­метны в момент выпадения осадков - дождя, снега и т.п. Их уро­вень повышается с ростом частоты и увеличивается с увеличением толщины атмосферного слоя, через который вынуждены проходить электромагнитные волны, несущие информацию, при изменении угла места антенны от 90 до 0 ° (т.е. с увеличением наклонной дальности).

Галактические шумы. Уровень галактических шумов незначи­телен и не превышает 4 К. Более высокий уровень шумов прини­мают антенны, направленные в сторону Млечного пути, меньший - в сторону полярных областей Галактики. На рис. 2.8 приведена за­висимость космических и атмосферных шумов от частоты для раз­ных углов места антенны.

Значительный уровень шумов принимается, если антенна "смот­рит" непосредственно на Солнце. Поэтому иногда используют в ка­честве генератора шума антенну, направленную прямо на солнеч­ный диск.

Рис. 2.8. Зависимость космических и атмосферных шумов от частоты для разных углов места (ф) антенны: К - температура в градусах К

Кроме этого, антенна принимает также шум около 60 К через свои боковые лепестки, обращенные к Земле. Чем антенна мень­ших размеров и чем худшего она качества, тем больший уровень боковых лепестков в ее диаграмме направленности и тем больше шума принимает система космического и теплового. Необходимо отметить, что антенна, направленная на линию горизонта неизбеж­но принимает тепловое излучение Земли и ее эффективная шумо­вая температура не может быть меньше 200...300 К.

Поверхность Земли, как и любое нагретое тело, является источ­ником шума и направленные на Землю спутниковые антенны при­нимают дополнительный шум около 290 К. Наземные антенны, на­правленные на спутник, также принимают шум из космического пространства около 4 К через основной лепесток диаграммы на­правленности.