37. Шумовые параметры и чувствительность радиоприемника.

В оконечном устройстве радиовещательного или связного приемника даже при отсутствии сигнала на входе прослушиваются некоторые шумы в виде шипения и шорохов. Эти шумы возникают в элементах схемы и называются внутренними. По своей природе эти шумы делят на тепловые шумы в резисторах и шумы электронных приборов. Физической причиной шумов являются флуктуации электрических зарядов в элементах, приводящие к появлению флуктуационных ЭДС и токов.

Внутренние шумы затрудняют прием слабых сигналов и, следовательно, являются одной из основных причин, ограничивающих чувствительность приемника. Внутренние шумы имеют очень широкий спектр и усиливаются наравне с полезным сигналом. Из широкого шумового спектра избирательные цепи приемника выделяют только ту часть, которая находится в пределах полосы пропускания, поэтому часто полосу шумов принимают равной полосе пропускания приемника .

Тепловые шумы. Тепловые шумы обусловлены беспрерывным хаотическим движением электронов внутри проводника, вызванные тепловым воздействием внешней среды. Напряжение шумов зависит от температуры окружающей среды и сопротивления проводника: , где

U_Ш - среднеквадратическое значение напряжения шумов, В;

k- постоянная Больцмана, равная ;

Т- абсолютная температура, К⁰;

R- активное сопротивление, Ом;

-полоса частот, в пределах которой определяется шумовое напряжение, Гц.

Для практических расчетов пользуются формулой: ,

где U_Ш –мкВ, R-кОм, -кГц.

При определении напряжения тепловых шумов на комплексном сопротивлении , а также на параллельном контуре с сопротивлением R_Э также можно использовать эту формулу, если под полосой понимать шумовую полосу.

Представление о шумовой полосе можно получить, сравнив две системы: с реальной и прямоугольной частотными характеристиками. Шумовой полосой в этом случае называют полосу такой системы с прямоугольной АЧХ, на выходе которой создается шум, равный шуму системы с реальной АЧХ. Шумовая полоса, как правило шире полосы пропускания системы. Так для одиночного колебательного контура .

Чем больше АЧХ системы приближается к прямоугольной, тем меньше разница между и П. Для линейной части радиоприемника, частотная характеристика которого формируется рядом контуров и по форме приближается к прямоугольной можно шумовую полосу принимать равной полосе пропускания приемника. Следует заметить, что шумы на выходе приемника в основном определяются шумами входной цепи и первых каскадов, т.к. появляющееся в них напряжение шумов усиливается всеми каскадами. Шумы последующих каскадов не оказывают заметного влияния.

Коэффициент шума.

В радиотехнике широко используется понятие «коэффициент шума», при помощи которого можно определить чувствительность приемника. Коэффициент шума N определяется значением, показывающим, во сколько раз отношение сигнал/шум на входе приемника больше отношения сигнал/шум на выходе линейной части приемника, т.е. на входе детектора:

.

В идеальном нешумящем приемнике N=1, так как сигнал и шум усиливаются в одинаковое число раз. В реальном приемнике значение коэффициента шума увеличивается вследствие возникновения внутренних шумов, в результате чего мощность шума на выходе возрастает. Коэффициент шума можно рассматривать как величину, показывающую, во сколько раз ухудшается отношение сигнал/шум на выходе реального приемника по сравнению с идеальным.

Чувствительность приемника.

Чувствительность приемника оценивается минимальным значением ЭДС сигнала или мощности сигнала в антенне, при которых обеспечивается нормальный прием. Поскольку в приемнике усиливается не только полезный сигнал, но и внутренние шумы, то последние являются фактором ограничивающим его чувствительность.

Отношение мощности сигнала к мощности шумов на выходе линейной части приемника характеризуют различимость сигнала на фоне шума и называется коэффициентом различимости: . Предельное минимальное значение этого коэффициента, при котором мощности сигнала и шума на выходе равны, равно единице ( ), а мощность сигнала на входе ( ) при этом будет характеризовать предельную чувствительность приемника.

С учетом формулы имеем: и . Таким образом, предельная чувствительность приемника оценивается минимальной мощностью входного сигнала при коэффициенте различимости . Надежный прием полезного сигнала обеспечивается при значительном превышении уровня входного сигнала над уровнем шума, т.е. при . Мощность полезного сигнала на входе при будет характеризовать реальную чувствительность приемника .

Реальная чувствительность приемника оценивается минимальной мощностью входного сигнала при котором достигается определенное значение коэффициента различимости . Расчетную формулу предельной чувствительности можно получить из формулы , подставив в нее максимальное значение . Для нахождения воспользуемся схемой рис. 37.1.

Рис. 37.1. Схема для оценки . [1].

Полагаем, что источником шума является генератор с внутренним сопротивлением, равным эквивалентному сопротивлению антенны Rа. Мощность шума на входе приемника ,

шумовой ток - .

Тогда .

Как известно, генератор отдает в нагрузку максимальную мощность когда . Таким образом .

Полагаем, что шумы в антенне теплового происхождения и определяются формулой: ,

с учетом этого:

.

Возвращаясь к определению предельной чувствительности приемника, заменим в формуле величину , тогда предельная чувствительность:

Численно реальная чувствительность приемника превышает предельную в раз, т.е. . Чувствительность по мощности можно пересчитать в чувствительность по напряжению. С учетом того, что при согласованной нагрузке , выражение для предельной чувствительности по напряжению будет иметь вид:

.