Noise Figure (NF) Nozioni di base: cos'è e come utilizzarlo per progettare un ricevitore - Fase singola.

Noise Figure (NF): un mito e un importante parametro RF.

È uno dei termini che molte persone con RF hanno difficoltà a comprendere e applicare realmente.

Ci sono formule complicate coinvolte che ti rendono molto confuso una volta che le hai superate.

E potresti avere difficoltà ad applicarli correttamente per progettare un ricevitore.

Quando si progettano circuiti per l'uso con segnali estremamente deboli, il rumore è una considerazione importante.

Noise Figure (NF) è una misura di quanto un dispositivo degrada il rapporto segnale / rumore (SNR), con valori più bassi che indicano prestazioni migliori.

Il contributo del rumore di ciascun dispositivo nel percorso del segnale deve essere abbastanza basso da non degradare significativamente il Rapporto segnale / rumore.

Ti mostrerò quei concetti RF facili e comuni e alla fine sarai in grado di progettare e completare progetti RF e prodotti vendibili in pochissimo tempo senza fare molti errori.

Fornirò anche alcune risorse per quelli di voi che desiderano apprendere dettagli più avanzati.

Che cos'è "kTB"?
Prima di discutere del fattore di rumore e della figura di rumore, dobbiamo conoscere meglio il rumore del ricevitore.

La prima cosa che dobbiamo sapere è che c'è un rumore termico ovunque nello spazio e questa è la potenza minima del rumore che dobbiamo affrontare e gestire.

In nessun modo possiamo liberarcene.

La progettazione del ricevitore sarebbe stata molto più semplice se questo rumore di base non esistesse.

Tutti gli altri tipi di rumore non sono desiderabili e dovremmo fare del nostro meglio per minimizzarli.

Di solito esprimiamo rumore in watt poiché è un tipo di potenza.

L'ampiezza di questa potenza del rumore termico è:

Rumore termico = k (Joule / ˚K) × T (˚K) × B (Hz)

Dove k è la costante di Boltzmann in Joule / ˚K, T è la temperatura in ° Kelvin (° K) e B è la larghezza di banda in Hz.

Se,
k = 1.38 × 10-23
T = 290 ° K (equivalente a 17 ° C o 62.6 ° F)
E,
B = 1 Hz
Poi,
Thermal Noise =1.38×10−23×290×1
= 4.002 × 10-21W / Hz
= 4.002 × 10-18mW / Hz

Se lo convertiamo in dBm, quindi,
4.002×10−18mW/Hz=10log(4.002×10−18)
= 6.0-180 = -174dBm / Hz
Questa è la quantità di potenza del rumore termico in una larghezza di banda di 1 Hz a 17 ° C e dovresti ricordare questo numero a memoria prima di lavorare con Noise Figure.

Rumore termico e temperatura:

La tabella seguente mostra il rumore termico per Hertz rispetto alla temperatura:

Come puoi vedere in questa tabella, la differenza di rumore termico tra questi 2 temperature estreme -40 ° C e 75 ° C è solo

-173.2-174.9 = 1.7dBm

Pertanto, per comodità, di solito prendiamo come riferimento il numero medio 17 ° C (290 ° K) e -174 dBm.

Larghezza di banda di rumore termico e frequenza di funzionamento:

Per 1 MHz di larghezza di banda,

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

= -114dBm

Concluderemo il "rumore termico" con 2 domande per verificare quanto sai di questo termine. Devi conoscerlo a fondo prima di continuare a vedere questo importante parametro "Figura di rumore" che discuteremo di seguito:

Q1:  Quanti dBm per Hertz è il rumore termico a -25 ° C?

Ans.     -174.7 dBm

Q2: Quanti dBm è il rumore termico totale con una larghezza di banda di 250 kHz a 65 ° C?

Ans.     -119.3 dBm


Rapporto segnale / rumore (SNR)
 


La sensibilità del ricevitore è una misura della capacità di un ricevitore di demodulare e ottenere informazioni da un segnale debole. Quantificiamo la sensibilità come il livello di potenza del segnale più basso da cui possiamo ottenere informazioni utili.

Il segnale più debole che un ricevitore può discriminare è una funzione della quantità di rumore termico che il ricevitore aggiunge al segnale. Il rapporto segnale rumore è il modo più conveniente per quantificare questo effetto.

Per il rapporto segnale / rumore in ingresso,

SNRin = Sin / Nin

Dove Sin è il livello del segnale in ingresso e Nin è il livello del rumore in ingresso.

Per il rapporto segnale-rumore in uscita,

SNRout = Sout / Nout

Dove Sout è il livello del segnale in uscita e Nout è il livello del rumore in uscita.

Poiché kTB è ovunque, Sout / Nout non può mai essere migliore di Sin / Nin. Pertanto, la migliore situazione che puoi avere è:

Sout / Nout = Sin / Nin, (SNRout = SNRin)
 
Fattore di rumore (F) e
Figura di rumore (NF)
Dobbiamo definire questi due termini "Noise Factor" e "Noise Figure" prima di andare oltre.

Noise Factor (F) = Sin / NinSout / Nout = SNRinSNRout
Il fattore di rumore è una misura di come il rapporto segnale-rumore viene degradato da un dispositivo.

Devi ricordare questa definizione a memoria prima di poter lavorare con Noise Figure.

Un circuito elettronico perfetto (che non esiste) avrebbe un fattore di rumore di 1.

Nel mondo reale, è sempre maggiore di 1.

E semplicemente

= Log (SNRin) -log (SNRout)

La figura del rumore è sempre maggiore di 0 dB.

Vorrei spiegare questi 2 importanti termini usando 3 esempi di seguito e spero che impiegherai del tempo a seguire ogni singolo passaggio.

esempio #1
Se i circuiti elettronici sono trasparenti, allora il guadagno è 0, anche il livello di rumore interno Nckt è 0.

Ans.

Poiché Sin = Sout e Nin = Nout

Fattore di rumore (F) = 1 e

Noise Figure (NF) = 10log (1) = 0

Questo tipo di circuito quasi non esiste.

esempio #2
Se il circuito elettronico è un attenuatore di rete π con resistore da 6 dB (-6 DB), qual è il fattore rumore?

Ans.

Sia Sin che Nin hanno 6 dB di perdite, quindi

Sout = (1/4) Sin e presumibilmente,

Nout = (1/4) Nin

Ma il rumore termico minimo ovunque è kTB.

Così,
Nout = KTB
Perciò,
Noise Factor (F) = Sin / NinSout / Nout
= Sin / KTB (1/4) Sin / KTB = 4
E,
Figura di rumore (NF) = 10log (4) = 6dB
La cifra del rumore è esattamente la stessa dell'attenuazione di 6 dB, come previsto.

esempio #3

Un amplificatore ha un guadagno di 12 dB e il rumore è di 3 dB,

a) qual è il livello di rumore per Hz (in dBm) sulla porta di uscita e

(b) qual è il rumore extra per Hz (in dBm) creato in questo amplificatore?




Ans.

(un).
Da,
Così,

Sout = 16 × Sin

Sin / Nin16Sin / Nout = 1.995

Perciò, il livello di rumore (in dBm) sulla porta di uscita è:

=10log31.9+10logkTB=15.0−174

= -159.0dBm

(B).

E altre ancora…

Nout = 16 × Nin + (x + 1) ktb = (17 + x) ktb

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

Dopo alcuni passaggi operativi

x = 15

Quindi il rumore extra (in dBm) creato in questo amplificatore è:

15kTB=15×4.0×10−18mW

= 6.0 × 10-17mW = -162.2dBm

 

Ok, è ora di concludere questo articolo. Ti piace sapere se capisci davvero cos'è Noise Figure e come utilizzarlo? Scopri da queste 2 domande:

D1: Un LNA ha un guadagno di 20 dB. Se il livello di rumore misurato sulla porta di uscita è -152 dBm / Hz, qual è l'NF di questo amplificatore?

Ans. 2 dB

D2: L'NF di un amplificatore è di 1.0 dB e la larghezza di banda della frequenza operativa è di 200 kHz, se il livello di rumore della porta di uscita misurato è -132 dBm, qual è il guadagno di questo amplificatore?

Risposta 18dB

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