Сигналы и помехи при радиоприеме
реклама
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 4kTRf ; 2 I ш 4kTgf . 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!
