ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับรูปเสียง (NF): มันคืออะไรและมีวิธีการใช้งานอย่างไรเพื่อช่วยให้คุณออกแบบเครื่องรับ - ขั้นตอนเดียว

Noise Figure (NF): ตำนานรวมถึงพารามิเตอร์ RF ที่สำคัญ

มันเป็นหนึ่งในคำศัพท์ที่คน RF จำนวนมากมีปัญหาในการเข้าใจและนำไปใช้จริง

มีสูตรที่ซับซ้อนที่เกี่ยวข้องเพื่อให้คุณสับสนมากเมื่อคุณทำงานผ่านพวกเขา

และคุณอาจมีปัญหาในการใช้อย่างถูกต้องในการออกแบบเครื่องรับ

เมื่อออกแบบวงจรสำหรับใช้กับสัญญาณที่อ่อนมากเสียงเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณา

Noise Figure (NF) เป็นการวัดจำนวนอุปกรณ์ที่ลดอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) โดยที่ค่าต่ำกว่าแสดงถึงประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

การมีส่วนร่วมของเสียงในแต่ละอุปกรณ์ในเส้นทางสัญญาณจะต้องต่ำพอที่จะไม่ทำให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

ฉันจะแสดงแนวคิด RF ที่ง่ายและทั่วไปเหล่านั้นและในที่สุดคุณจะสามารถออกแบบและทำโครงการ RF และผลิตภัณฑ์ที่ขายได้ในเวลาอันสั้นโดยไม่ทำผิดพลาดมากมาย

ฉันจะให้แหล่งข้อมูลบางอย่างสำหรับผู้ที่ต้องการเรียนรู้รายละเอียดขั้นสูงเพิ่มเติม

“ kTB” คืออะไร?
ก่อนที่จะพูดคุยเกี่ยวกับปัจจัยด้านเสียงและรูปเสียงเราจำเป็นต้องรู้เรื่องตัวรับสัญญาณเสียงให้ดีขึ้น

สิ่งแรกที่เราต้องรู้คือมีสัญญาณรบกวนความร้อนทุกหนทุกแห่งในอวกาศและนี่คือพลังเสียงรบกวนที่น้อยที่สุดที่เราต้องเผชิญและจัดการ

ไม่มีทางที่เราจะกำจัดมันได้

การออกแบบเครื่องรับจะง่ายกว่านี้ถ้าไม่มีเสียงรบกวนพื้นฐาน

เสียงประเภทอื่น ๆ ไม่เป็นที่ต้องการและเราควรพยายามอย่างเต็มที่เพื่อลดเสียงดังกล่าว

โดยปกติแล้วเราจะแสดงเสียงเป็นวัตต์เนื่องจากเป็นพลังงานชนิดหนึ่ง

แอมพลิจูดของพลังงานเสียงรบกวนความร้อนนี้คือ:

เสียงรบกวนความร้อน = k (Joules / ˚K) × T (˚K) × B (Hz)

ที่ k คือค่าคงที่ของ Boltzmann ใน Joules / ˚K, T คืออุณหภูมิเป็น° Kelvin (° K) และ B เป็นแบนด์วิดท์ใน Hz

ถ้า,
k = 1.38 × 10-23
T = 290 ° K (เทียบเท่า 17 ° C หรือ 62.6 ° F)
และ
B = 1Hz
จากนั้น
Thermal Noise =1.38×10−23×290×1
= 4.002 × 10-21W / เฮิร์ตซ์
= 4.002 × 10-18mW / เฮิร์ตซ์

ถ้าเราแปลงเป็น dBm แล้ว
4.002×10−18mW/Hz=10log(4.002×10−18)
= = 6.0-180 -174dBm / เฮิร์ตซ์
นี่คือปริมาณพลังงานความร้อนรบกวนใน 1 Hz แบนด์วิดท์ที่ 17 ° C และคุณควรจำหมายเลขนี้ด้วยหัวใจก่อนที่จะทำงานกับรูปเสียง

เสียงรบกวนความร้อนและอุณหภูมิ:

ตารางด้านล่างแสดงเสียงความร้อนต่อเฮิรตซ์ต่ออุณหภูมิ:

ดังที่คุณเห็นในตารางนี้ความแตกต่างของเสียงความร้อนระหว่างอุณหภูมิสูงถึง 2 อุณหภูมิ -40 ° C และ 75 ° C นั้นเป็นเพียงเท่านั้น

-173.2-174.9 = 1.7dBm

ดังนั้นเพื่อความสะดวกเรามักจะใช้ตัวเลขกลาง 17 ° C (290 ° K) & -174 dBm เป็นข้อมูลอ้างอิง

เสียงรบกวนจากความร้อนและแบนด์วิดท์ความถี่การทำงาน:

สำหรับแบนด์วิดท์ 1 MHz

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

= -114dBm

เราจะสรุป“ เสียงรบกวนทางความร้อน” ด้วยคำถาม 2 ข้อเพื่อทดสอบว่าคุณรู้จักเทอมนี้มากแค่ไหน คุณต้องรู้อย่างถี่ถ้วนก่อนที่จะดำเนินการต่อเพื่อดูพารามิเตอร์ที่สำคัญ "รูปเสียง" ที่เราจะกล่าวถึงด้านล่าง:

Q1:  เสียงความร้อนที่อุณหภูมิ -25 ° C มีกี่ dBm ต่อเฮิร์ตซ?

Ans     -174.7 dBm

Q2: เสียงรบกวนทางความร้อนรวมกี่เดซิเบลที่มีแบนด์วิดธ์ 250 kHz ที่ 65 ° C?

Ans     -119.3 dBm


อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียง (SNR)
 


ความไวของตัวรับสัญญาณเป็นการวัดความสามารถของตัวรับสัญญาณที่จะ demodulate และรับข้อมูลจากสัญญาณที่อ่อนแอ เราหาปริมาณความไวเป็นระดับพลังงานสัญญาณต่ำสุดที่เราสามารถรับข้อมูลที่เป็นประโยชน์

สัญญาณที่อ่อนแอที่สุดที่ตัวรับสามารถแยกได้คือฟังก์ชั่นว่าเสียงความร้อนที่ตัวรับเพิ่มเข้ากับสัญญาณนั้นเป็นเท่าใด อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงเป็นวิธีที่สะดวกที่สุดในการวัดผลกระทบนี้

สำหรับสัญญาณอินพุตต่ออัตราส่วนเสียงรบกวน

SNRin = Sin / นิน

โดยที่ Sin เป็นระดับสัญญาณอินพุตและ Nin คือระดับเสียงรบกวนอินพุต

สำหรับอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน

SNRout = Sout / Nout

โดยที่ Sout คือระดับสัญญาณเอาท์พุตและ Nout คือระดับเสียงเอาท์พุต

เนื่องจาก kTB มีอยู่ทุกหนทุกแห่ง Sout / Nout จึงไม่มีทางดีไปกว่า Sin / Nin ดังนั้นสถานการณ์ที่ดีที่สุดที่คุณสามารถมีคือ:

Sout / Nout = Sin / Nin, (SNRout = SNRin)
 
ปัจจัยเสียง (F) &
รูปเสียงรบกวน (NF)
เราจำเป็นต้องกำหนดคำสองคำว่า "Noise Factor" และ "Noise Figure" ก่อนดำเนินการต่อ

ปัจจัยรบกวน (F) = Sin / NinSout / Nout = SNRinSNRout
ปัจจัยด้านเสียงรบกวนเป็นการวัดว่าอุปกรณ์มีอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงลดลงอย่างไร

คุณต้องจำคำนิยามนี้ด้วยใจก่อนที่คุณจะสามารถทำงานกับรูปเสียงได้

วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่สมบูรณ์แบบ (ซึ่งไม่มีอยู่) จะมีปัจจัยด้านเสียง 1

ในโลกแห่งความเป็นจริงมันมักจะมากกว่า 1

และเพียง

= บันทึก (SNRin) -log (SNRout)

รูปที่มีจุดรบกวนมากกว่า 0 dB

ฉันต้องการอธิบายคำสำคัญ 2 คำนี้โดยใช้ตัวอย่าง 3 ตัวอย่างด้านล่างและฉันหวังว่าคุณจะใช้เวลาในการติดตามทุกขั้นตอนเดียว

ตัวอย่างที่ 1
หากวงจรอิเล็กทรอนิกส์มีความโปร่งใสดังนั้นได้รับเป็น 0 ระดับเสียงรบกวนภายใน Nckt เป็น 0

Ans

ตั้งแต่ Sin = Sout และ Nin = Nout

Noise Factor (F) = 1 และ

รูปเสียงรบกวน (NF) = 10log (1) = 0

วงจรประเภทนี้แทบจะไม่มีอยู่

ตัวอย่างที่ 2
หากวงจรอิเล็กทรอนิกส์เป็นตัวต้านทาน 6 dB att ตัวลดทอนเครือข่าย (-6 DB) ปัจจัยเสียงรบกวนคืออะไร

Ans

ทั้งสินและนินมีขาดทุน 6 เดซิเบลดังนั้น

Sout = (1/4) Sin และที่คาดคะเน

Nout = (1/4) นิน

แต่เสียงความร้อนที่น้อยที่สุดคือ kTB

ดังนั้น
Nout = KTB
ดังนั้น
ปัจจัยรบกวน (F) = Sin / NinSout / Nout
= Sin / KTB (1/4) Sin / KTB = 4
และ
รูปเสียงรบกวน (NF) = 10log (4) = 6dB
ตัวเลขเสียงนั้นเหมือนกับการลดทอน 6dB ตามที่คาดไว้

ตัวอย่างที่ 3

เครื่องขยายเสียงได้รับ 12 dB และรูปเสียงเป็น 3 dB

(a) ระดับเสียงต่อ Hz (เป็น dBm) ที่พอร์ตเอาต์พุตคืออะไรและ

(b) เสียงรบกวนพิเศษต่อ Hz (เป็น dBm) ที่สร้างในแอมพลิฟายเออร์นี้คืออะไร?




Ans

(A)
ตั้งแต่,
ดังนั้น

Sout = 16 ×บาป

Sin / Nin16Sin / Nout = 1.995

ดังนั้น ระดับเสียง (เป็น dBm) ที่พอร์ตเอาต์พุตคือ:

=10log31.9+10logkTB=15.0−174

= -159.0dBm

(B)

และ

Nout = 16 ×นิน + (x + 1) ธนาคารกรุงไทย = (17 + x) ธนาคารกรุงไทย

F = Sin / kTB16Sin / (17 + x) KTB = 2

หลังจากดำเนินการไม่กี่ขั้นตอน

x = 15

ดังนั้นเสียงรบกวนพิเศษ (เป็น dBm) ที่สร้างในแอมป์นี้คือ:

15kTB=15×4.0×10−18mW

= 6.0 × 10-17mW = -162.2dBm

 

เอาล่ะถึงเวลาปิดบทความนี้แล้ว คุณชอบที่จะรู้หรือไม่ว่าคุณเข้าใจจริง ๆ ว่า Noise Figure คืออะไรและใช้อย่างไร? ค้นหาจาก 2 คำถามเหล่านี้:

Q1: LNA มีอัตราขยาย 20 dB หากระดับเสียงที่วัดได้ที่พอร์ตเอาต์พุตคือ -152 dBm / Hz แล้ว NF ของเครื่องขยายเสียงนี้คืออะไร?

คำตอบ 2 เดซิเบล

Q2: NF ของแอมพลิฟายเออร์คือ 1.0 dB และแบนด์วิดท์ความถี่การทำงานคือ 200 kHz หากระดับเสียงของพอร์ตเอาต์พุตที่วัดได้คือ -132 dBm แอมพลิฟายเออร์นี้จะได้รับอะไร?

Ans 18 เดซิเบล

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ