Охарактеризуйте компоненты радиочастотного шума, используя эквивалентную шумовую температуру

Ранее мы обсуждали, что коэффициент шума — это обычно используемая характеристика шума в радиочастотных работах. Альтернативным способом характеристики шумовых характеристик радиочастотных компонентов и систем является эквивалентная шумовая температура, которой будет посвящена основная тема данной статьи.

В целом, коэффициент шума и эквивалентная шумовая температура предоставляют одинаковую информацию; однако вы, возможно, немного менее знакомы с понятием шумовой температуры. Шумовая температура в основном используется в неназемных приложениях, таких как радиоастрономия и космические радиолинии, которые имеют дело с очень небольшими уровнями шума. Несмотря на нишевое применение, ознакомление с концепцией шумовой температуры может дать нам более четкое представление о том, как на самом деле работают приборы для измерения коэффициента шума. Фактически, автоматический анализатор коэффициента шума может выполнять многие внутренние вычисления с точки зрения шумовой температуры.

Мы можем использовать концепцию шумовой температуры для определения шума, создаваемого однопортовым устройством, например антенной или источником шума. Чтобы лучше понять это, рассмотрим произвольный источник белого шума с выходным сопротивлением R, подключенный к согласованному нагрузочному резистору RL, как показано на рисунке 1(a) ниже.

Предположим, что источник шума обеспечивает мощность шума от No до RL = R (т. е. максимальная доступная мощность шума источника шума равна No). Мы знаем, что доступная шумовая мощность резистора равна кТБ. Приравнивая kTB к No, мы можем найти температуру, при которой резистор демонстрирует доступную шумовую мощность No.

\[T_e = \frac{N_o}{kB}\]

Это наблюдение дает нам модель шума, показанную на рисунке 1(b), где один резистор R при температуре Te используется для создания того же количества шума, что и исходный источник шума, где Te — эквивалентная шумовая температура источник шума. Обратите внимание, что шумовая температура не указывает на физическую температуру резистора, которую можно измерить термометром. Шумовая температура — это всего лишь концепция, которая позволяет нам моделировать фактический уровень шума, производимый компонентом. Также стоит отметить, что концепция коэффициента шума по определению не может быть применена к однопортовым устройствам.

Понятие шумовой температуры также можно использовать для описания шумовых характеристик двухпортовой сети. В качестве примера рассмотрим шумный усилитель с коэффициентом усиления G и полосой пропускания B, подключенный к согласованному резистору источника, как показано на рисунке 2(a).

Далее, имеющийся шум на выходе усилителя можно описать с помощью уравнения 1.

\[N_o = N_{o(добавлено)} + kT_0BG\]

Где:

Как и в примере с одним портом, мы хотим смоделировать шум усилителя, найдя новую температуру истокового резистора. Для этого сначала находим приведённый к входу шум усилителя:

\[N_{i(добавлено)}=\frac{N_{o(добавлено)}}{G}\]

Приравнивание приведенного выше значения к kTeB дает нам эквивалентную температуру, при которой доступная мощность шума резистора равна входному шуму усилителя в уравнении 2.

\[T_e=\frac{N_{o(добавлено)}}{kBG}\]

Исходя из этого, мы можем предположить, что усилитель бесшумен, и вместо этого увеличить начальную температуру Rs на Te, чтобы учесть шум усилителя. Это показано на рисунке 2(b).

Теперь давайте проверим нашу модель, рассчитав общий выходной шум. Ссылаясь на рисунок 2(b), мы имеем:

\[\begin{equation}N_o &=& kTBG = k(T_0+T_e)BG \\&=& k(T_0+\frac{N_{o(added)}}{kBG})BG \\&=& kT_0BG +N_{o(добавлено)}\end{equal}\]

Что согласуется с уравнением 1 (неудивительно!). Зная шумовую температуру усилителя Te, мы можем найти шумовую температуру всей системы, включая импеданс источника Rs и усилителя, определяемый как T0 + Te. Кроме того, объединив уравнение 2 с приведенным ниже определением коэффициента шума, мы можем получить полезное уравнение, которое выражает коэффициент шума через эквивалентную шумовую температуру, как показано в уравнении 3.