Что такое коэффициент шума (Noise Figure) и зачем нужен LNA

Немного теории о применении усилителей.

Коэффициент шума — это число, с помощью которого можно определить шумовые характеристики усилителя или радиоприемника.

Начнем с соотношения сигнал / шум усилителя (SNR — Signal to Noise Rate).

A Brief Introduction to Signal-to-Noise Ratio for Analog Video ...

Чем выше это соотношение, тем проще нам работать с сигналом и тем лучше его качество.

Теперь представим, что мы подаем сигнал мощности Psignal на усилитель. Конечно, в дополнение к сигналу, на входе усилителя будет присутствовать некоторый шум, предположим, что это Pnoise. Следовательно, выход усилителя будет включать в себя как сигнал, так и шум (его он тоже усилит на такое же количество децибел как и сигнал).

Тут важным моментом является то, что усилитель сам по себе производит шум. Это может быть тепловой шум, или несовершенство схемотехники, но количество этого шума больше нуля.
Выходит, что на входе у нас «Полезный сигнал+шум+шум усилителя», и чем больше усилителей мы поставим в цепи прохождения сигнала, тем больше «собственного шума» мы соберём (как будто нам шума эфира не хватало).

Отсюда делаем вывод, что SNR по входу усилителя всегда меньше SNR по его выходу! Мы можем усиливать сигнал сколь угодно сильно, но он обязательно станет «грязнее» оригинала.

SNR всегда будет ухудшаться при прохождении сигнала через любой микроволновый компонент! это не обязательно усилитель, также любая пассивная или активная обвязка на пути сигнала имеет свой шум.

Вернемся к показателю коэффициента шума — это то, насколько шума добавляет усилитель в полезный сигнал.

Показатель Noise Factor это отношение входящего и выходного SNR.

А Noise Figure (NF), коэффициент шума — это логарифмированное значение Noise Factor. Именно это значение указывают в даташитах малошумящих усилителей.

Рассмотрим пример: при коэффициенте шума NF в 0.6dB, из 100dB SNR полезного сигнала, до приёмника дойдёт только 87.
При NF в 2.0dB дойдёт уже 63 децибела SNR (потеряем 37 децибел сигнала).

Теперь перейдём к LNA (малошумящих усилителей).
Их располагают максимально близко к антенне, и их основной задачей является:

  1. Усилить сигнал, чтобы скомпенсировать затухание кабеля, идущего к приёмнику.
  2. Сделать это с минимальным вносимым шумом. Иначе от полезного сигнала ничего не останется, и к приёмнику долетит только «хорошо усиленный шум».

Входные цепи относительно простых УКВ приёмников имеют коэффициент шума в 1 и более децибелл, и если к ним придёт очень слабый сигнал, то собственные шумы приёмника его просто перекроют. Поэтому для дальних связей на УКВ/СВЧ диапазонах применяют LNA с NF 0.6 и менее.

Немного выводов к концу статьи:
1. Пассивных элементов на пути сигнала должно быть как можно меньше, NF пассивного элемента часто принимают равным затуханию в нём (2dB затухания в фильтре это 2dB NF). Поэтому пассивные элементы, в идеальном случае, располагаются только после усиления (кроме случая фильтрации сигнала до LNA для защиты от перегрузки).
2. На первых каскадах нужно усиливать сигнал с минимально возможными шумами.
3. Чем слабее сигнал приходит с антенны, тем важнее сохранить SNR приёмника, и тем выше требования к LNA. При связях через луну используют LNA с NF меньше 0.3
4. Располагать LNA не у антенны, а рядом с приёмником практически лишено смысла, т.к. сигнал уже ослаб настолько, что шумы его перекроют.

Дополнительно, есть замечательные теоретические заметки по использованию LNA в конце статьи на сайте vhfdesign.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.