Происхождение и виды шумов Термин шум применяется ко

Происхождение и виды шумов. Термин “шум” применяется ко всему, что маскирует полезный сигнал, поэтому шумом может оказаться какой нибудь другой сигнал(“помеха”); но чаще всего этот термин означает “случайный” шум физической(чаще всего тепловой)природы. Шум характеризуется своим частотным спектром, распределением амплитуды и источником(происхождением).

Виды шумов: 1. 2. 3. Джонсоновский шум. Дробовой шум. Шум 1/f ( фликкер шум).

Джонсоновский шум Любой резистор на плате генерирует на своих выводах некоторое напряжение шума, известное как “шум Джонсона”(тепловой шум). У него горизонтальный частотный спектр, т. е. одинаковая мощность шума на всех частотах(до некоторого предела). Шум с горизонтальным спектром называют “белым шумом”. Реальное напряжение шума в незамкнутой цепи, порожденное сопротивлением R, находящимся при температуре T, выражается формулой U=UR=sqrt(4 k. TRB)

k постоянная Больцмана, T абсолютная температура в Кельвинах, B полоса частот в герцах. Таким образом Uш. эфф. это то, что получится на входе совершенно бесшумного фильтра с полосой пропускания B, если подать на его вход напряжение, порожденное резистором при температуре T.

Шум Джонсона устанавливает нижнюю границу напряжения шумов любого детектора, источника сигнала или усилителя, имеющего резистивные элементы. Активная составляющая полного сопротивления источника порождает шум Джонсона; так же действуют резисторы цепей смещения и нагрузки усилителя.

Дробовой шум. Беспорядочные флуктуации наприжений и токов относительно их среднего значения в цепях радиоэлектронных устройств, обусловленные дискретностью носителей электрического заряда — электронов. Грубо говоря, прибытие каждого электрона сопровождается всплеском тока в цепи. В отличие от теплового шума, вызванного тепловым движением электронов, дробовой шум не зависит от температуры. Дробовой шум проявляется, например, в виде акустического шума в динамике радиоприемника, в виде «снега» на экране телевизора, «травки» на радиолокационном отметчике и т. п. Этот шум основная составляющая внутренних шумов большинства радиоэлектронных устройств, которые приводят к искажению слабых полезных сигналов и ограничивают чувствительность усилителей. Термин «дробовой шум» (а также дробовый эфект) возник в связи с тем, что благодаря ему в громкоговорителе, подключённом к выходу усилителя или радиоприёмника, появляется акустический шум, напоминающий шум сыплющихся дробинок.

В ЭВП (Электронно Вакуумный Прибор) он возникает на поверхности катода вследствие статистического характера эмиссии электронов и дискретности их заряда. Спектральная плотность тока катода Sω(I) дробового шума при работе ЭВП в режиме насыщения определяется соотношением Sω(I)=e. I 0 (формула Шоттки), где е— заряд электрона, I 0 — постоянная составляющая тока. Спектр дробовых шумов флуктуации анодного тока, обусловленных дробовым шумом тока катода, равномерен до весьма высоких значений частот (на которых становится существенной конечность времени пролёта электрона от катода к аноду). В силу теплового разброса скоростей электронов дробовой шум всегда сопровождается флуктуациями не только тока, но и других характеристик электронного потока. Электрические шумы, родственные дробовому шуму в ЭВП, наблюдаются и в полупроводниковых приборах. В последних различают шумы, вызванные дрейфом носителей заряда, и шумы, вызванные диффузией носителей заряда.

Шум 1/f. Дробовой и тепловой шумы – не уменьшаемые виды шума, возникающие в соответствии с законами физики. Самый дорогой и тщательно изготовленный резистор имеет тот же тепловой шум, что и дешевый углеродный резистор с тем же сопротивлением. Реальные устройства , кроме того, имеют различные источники “избыточных шумов”. Реальные резисторы подвержены флуктуациям сопротивления, которые порождают дополнительное напряжение шума, пропорциональное протекающему через резистор постоянному току. Этот шум зависит от многих факторов, связанных с конструкцией конкретного резистора, включая резистивный материал и особенно концевые соединения. Этот шум имеет спектр, примерно описываемый зависимостью 1/f(постоянная мощность на декаду частоты) и иногда называется “ Розовым шумом”.

Известно, что любое активное сопротивление R (так же, как и активная составляющая комплексного сопротивления) является источником широкополосного нормального шума. Дисперсия напряжения этого шума в эквивалентной (энергетической) полосе равна здесь k = 1, 38 • 10 23 Дж/град — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, К, 293 К, нормальная комнатная температура. Активное сопротивление как источник шума может быть представлено эквивалентным генератором напряжения с внутренним (не шумящим) сопротивлением R (Рис. 1 , а) или генератором тока (с внутренней проводимостью 1/R (рис. 1, б)); причем дисперсия этого напряжения выражается формулой (1), а дисперсия тока составляет

Активное сопротивление как источник шума можно характеризовать номинальной (или располагаемой) мощностью Часто вместо и удобно рассматривать спектральные плотности Gu и Gi шумовых напряжений и токов, равные

Спектральные плотности постоянны в очень широком диапазоне частот, начиная с самых низких до частот поряд ка F = 1012 Гц. На более высоких частотах Gu является функцией частоты F. Чувствительность определяется минимальной мощностью сигнала в антенне приемника, обеспечивающей заданное отношение С/Ш на выходе его линейного тракта. Для одиночных расчетов берут Шумовую температуру антенны обычно задают в ТЗ.

Коэффициент шума, шум фактор, числовая характеристика радиоприёмника, показывающая, насколько ухудшается его чувствительность к входному сигналу под действием собственных шумов

Коэффициент шума F равен отношению полной мощности шумов на выходе реального приёмника Рреал к выходной мощности шумов такого же идеального (не шумящего) приёмника Рид при условии, что единственный источник входного шума в обоих случаях тепловой шум согласованного сопротивления (эквивалент антенны), находящегося при температуре T 0 = 290 К : F = Рреал/Рид = Рреал/к. Т 0 Df. G.

Здесь k – постоянная Больцмана, Df - полоса пропускания приёмника в Гц, a G - его коэффициент усиления по мощности. Коэффициент шума выражают также в децибелах: F (Дб) == 10 lg F. Для идеального приёмника F = 1 (или 0 Дб), для реального, шумящего F > 1. Часто вместо Шума, коэффициент шумы характеризуются шумовой температурой Тш.

Шума коэффициент измеряют с помощью эталонных генераторов шума или генераторов стандартных синусоидальных сигналов, фиксируя, во сколько раз увеличивается полная мощность выходного сигнала приёмника при подаче на вход калибровочного сигнала Рген по сравнению с выходной мощностью при отсутствии сигнала Рген. Например, при измерении методом «удвоенного превышения» выбирают Рген такой, чтобы мощность выходного сигнала удваивалась. Тогда Рреал= GPген и Коэффициент шума подсчитывают по формуле.

Наименьший Коэффициент шума имеют квантовые усилители и охлаждаемые параметрические усилители на полупроводниковых диодах, у которых F » 1, 1, Тш » 30 К (для неохлаждаемых F» l, 3, Тш » 100 К). Для усилителей на лампах бегущей волны и тунельных диодах F » 3 -10, Тш » 600 3000 К. Радиовещательные приёмники и телевизоры имеют величину Коэффициента шума от нескольких единиц до нескольких десятков.