Сигналы и помехи при радиоприеме

1
Сигналы и помехи при
радиоприеме
Кафедра РЭИС
Доцент Никитин Никита
Петрович
2009
19.08.2009
2
19.08.2009
Полезный сигнал и помехи
• Полезным сигналом называют колебание, несущее информацию
(сообщение). Помехой является любое воздействие на сигнал,
препятствующее правильному приему сообщения. Моделью
сообщения может служить случайное число x или случайная функция
x(t).
Сигналы ux(t) классифицируют по различным признакам:
•
детерминированные – случайные;
•
непрерывные – импульсные;
•
простые – сложные;
•
модулированные – немодулированные;
•
аналоговые – цифровые.
3
19.08.2009
Происхождение помех
Помехи различают по их происхождению и по их электрическим
характеристикам. По происхождению помехи могут быть внешними и
внутренними. К внешним помехам относятся:
• атмосферные,
• индустриальные,
• от посторонних радиостанций,
• космические,
• специально организованные.
Особую роль играет помеха, обусловленная внутренним шумом приемника, так
как она присутствует всегда, а ее уровень зависит от схемы и конструкции
приемника.
4
19.08.2009
Электрические характеристики
помех
По электрическим характеристикам различают:
• квазигармонические помехи, ширина спектра которых примерно
равна полосе пропускания приемника и значительно ниже частоты
его настройки;
• импульсные помехи – хаотические или регулярные
последовательности импульсов, ширина спектра которых
значительно больше полосы пропускания приемника;
• флуктуационные (шумовые) помехи, представляющие собой
случайные процессы (белый шум или узкополосный случайный
процесс).
5
19.08.2009
Взаимодействие сигналов и помех
• По виду взаимодействия сигналов и помех различают помехи,
которые суммируются с сигналом (аддитивные) и
перемножаются с ним (мультипликативные).
• Примером аддитивной помехи может служить собственный
шум приемника, а мультипликативной – замирания сигнала в
диапазоне коротких волн.
• В общем виде входное колебание приемника можно
представить в виде
uвх(t) = uп мульт(t) ux(t) + uп адд(t).
6
19.08.2009
Внутренние шумы приемника
• Внутренний шум приемника – это
аддитивная флуктуационная помеха,
создаваемая элементами схемы приемника.
• Источники шума:
1. Тепловые шумы активных сопротивлений;
2. Шумы электронных ламп и транзисторов.
7
Тепловые шумы активных
сопротивлений
19.08.2009
В эквивалентной схеме шумящего
сопротивления выделяют источник
шума (напряжения или тока) и
нешумящий резистор,
сопротивление которого равно
сопротивлению реального
элемента.
Расчеты
производятся по
формулам Найквиста
Eш  4kTRf ;
2
I ш  4kTgf .
2
где k = 1.38·10-23 Дж / К·Гц – постоянная
Больцмана, Т – температура, до которой
нагрето сопротивление (в градусах
Кельвина), Δf – полоса частот,
g = 1/R..
8
19.08.2009
Номинальная шумовая мощность
• Наибольшая шумовая мощность, передаваемая
от шумящего сопротивления в нагрузку,
называется номинальной шумовой мощностью.
• Номинальная мощность передается в нагрузку
при равенстве сопротивлений источника сигнала
(шума) и нагрузки. Она не зависит от величины
сопротивления:
• Рш ном = kTΔf.
9
19.08.2009
Шумы параллельного LC контура
• Шумы контура создаются его активным
сопротивлением.
• Если полоса пропускания контура шире
расчетной полосы Δf, можно считать, что
контур шумит так же, как шумел бы резистор,
сопротивление которого равно резонансному
сопротивлению параллельного контура.
• В противном случае нужно интегрировать
сопротивление контура по полосе частот.
10
19.08.2009
Шумы усилительных приборов
Для количественной оценки шумовых свойств усилительного
прибора делается допущение, что он является нешумящим, а
шум на его выходе - это следствие усиления подводимого к
управляющему электроду шумового напряжения Uш вх,
создаваемого двумя фиктивными генераторами:
• генератором ЭДС Eш вх ;
• генератором тока Iш вх с внутренней проводимостью G11, которая
представляет собой входную проводимость усилительного
прибора.
11
19.08.2009
Схема шумящего усилительного
прибора
12
19.08.2009
Шумовая ЭДС
• Шумы, приведенные к входу транзистора, обусловлены
несколькими источниками, поэтому для удобства расчетов
принимают, что основная часть этих шумов возникает в
эквивалентном шумовом сопротивлении Rш, определяющем
шумовую ЭДС, средний квадрат которой
•
• Здесь П – шумовая полоса усилительно-преобразовательного тракта
приемника (обычно она примерно на 10 % больше полосы
пропускания по уровню половинной мощности), Rш – шумовое
сопротивление усилительного прибора.
13
19.08.2009
Генератор шумового тока
• Генератор шумового тока учитывает шумы, наведенные в
цепи управляющего электрода транзистора, а также тепловые
шумы.
• Средний квадрат этого тока
где tш= Тш/Т0 - относительная шумовая температура транзистора,
показывающая, во сколько раз температура нагрева Тш проводимости
G11 должна быть больше нормальной температуры Т0 = 293 К (20°С),
чтобы генератор тока Iш вх создавал шумы, эквивалентные тем,
которые наводятся в цепи управляющего электрода.
•
14
19.08.2009
Шумы приемных антенн
• Источником внешних шумов для приемника является антенна.
Шумы приемной антенны складываются из тепловых шумов
ее активного сопротивления и шумов сопротивления
излучения, обусловленных приемом излучений космоса,
атмосферы и Земли.
• Шумы активного сопротивления потерь обычно
незначительны, поэтому общие шумы антенны можно
оценивать средним квадратом ЭДС шума от внешних
излучений.
15
19.08.2009
Шумы сопротивления излучения
антенны
• Средний квадрат ЭДС шума от внешних
излучений.
•
RA -
сопротивление излучения антенны;
• ТА= tАT0 - эквивалентная шумовая температура
антенны, т.е. температура, которую имеет
сопротивление RА, шумящее так, как шумит
реальная антенна.
16
19.08.2009
Шумовая температура антенны
• TA= Tк+ Tатм + Tз,
• где Tк, Tатм, Tз - значения шумовой температуры, связанные с попаданием в
антенну соответственно космических шумов, шумов атмосферы и теплового
излучения Земли.
• Интенсивность этих составляющих сложным образом зависит от частоты,
диаграммы направленности и ориентации антенны, ее географического
положения и времени приема. В случае остронаправленной антенны величина
шумовой температуры может колебаться в зависимости от положения ее
диаграммы направленности от единиц до тысяч градусов Кельвина (значение
TA = 6000 К соответствует температуре поверхностных слоев солнца).
•
17
19.08.2009
Коэффициент шума приемника
• С целью количественной оценки шумовых свойств
радиоприемного устройства используются коэффициент
шума и шумовая температура, определяемые для
линейной части тракта, т.е. до первого нелинейного для
малых сигналов и шумов звена – детектора.
• Вследствие действия собственных шумов, отношение
сигнал/шум на выходе четырехполюсника становится
хуже (меньше), чем отношение сигнал/шум на его входе.
18
19.08.2009
Коэффициент шума. Определение.
Меру ухудшения отношения
сигнал/шум из-за собственных
шумов приемника называют
коэффициентом шума:
Коэффициент шума
выражают в децибелах
Ш [дБ] = 10 lg Ш.
19
19.08.2009
Шумовая температура
четырехполюсника
• Для оценки шумовых свойств малошумящих четырехполюсников, у
которых коэффициент шума близок к единице, удобнее использовать
эквивалентную шумовую температуру:
• Тш = (Ш – 1) Т0 .
• Шумовая температура четырехполюсника показывает, до какой
величины должна быть повышена абсолютная температура
сопротивления источника сигнала Rг , подключенного к входу
идентичного, но нешумящего четырехполюсника, чтобы мощность
шумов на его выходе равнялась мощности шумов на выходе реального
шумящего четырехполюсника.
20
19.08.2009
Коэффициент шума многокаскадной
схемы
• Для всех каскадов могут быть определены коэффициенты
передачи номинальной мощности и коэффициенты шума.
Общий коэффициент шума рассчитывается по формуле (при
согласованных между собой каскадах):
• Ш = Ш1 + (Ш2 – 1) / КР 1 + (Ш3 – 1) / КР 1 КР 2+…
• Нетрудно проверить, что при больших коэффициентах
усиления общий коэффициент шума определяется в основном
коэффициентами шума первых каскадов.
• Например, если Ш1 = Ш2 = 3 и КР 1 = КР 2 = 12, то Ш = 3,17 ≈ Ш1 .
21
19.08.2009
Реальная чувствительность
приемника
• Допустим, что на выходе линейного тракта
приемника требуется отношение сигнал/шум h. Эту
величину обычно называют коэффициентом
различимости.
• Реальной чувствительностью приемника называют
минимальную мощность сигнала на входе
приемника, при которой обеспечивается заданный
коэффициент различимости.
22
19.08.2009
Получим формулу расчета реальной
чувствительности.
• Рс вых = h Р ш вых ;
• Р ш вых = (Рш А + Рш соб вх )КР = (kTАПш + kТшПш) КР = kТ0Пш КР (tА + tш);
• где tА и tш - относительные шумовые температуры антенны и
усилительно-преобразовательного тракта приемника.
• Требуемая мощность сигнала на входе приемника:
• Рс вх = h Р ш вых / КР = kТ0Пш h (tА + tш).
• Учитывая, что tш = Ш – 1 (избыточный коэффициент шума), и приняв
tА = 1, получим величину реальной чувствительности приемника:
• Рс вх = kТ0Пш hШ.
23
19.08.2009
Предельная чувствительность
приемника
• Предельная чувствительность приемника при
h =1 рассчитывается по формуле
• Рс вх = kТ0Пш Ш.
• Следовательно, предельная чувствительность
приемника определяется его шумовой полосой
Пш и коэффициентом шума Ш .
• kТ0 = 4·10-21 Вт/Гц.
24
19.08.2009
Пути повышения реальной
чувствительности
Основной путь – это снижение коэффициента шума:
• использование малошумящих усилителей;
• охлаждение входных каскадов приемника с применением криогенной техники.
Второе направление – это снижение требуемого коэффициента
различимости:
• применение помехоустойчивых сигналов;
• оптимальное детектирование;
• последетекторная обработка сложных сигналов.
Третье направление – это уменьшение полосы пропускания
радиотракта, в том числе ценой уменьшения скорости передачи
информации.
25
19.08.2009
Конец
Спасибо за
внимание!