СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №5/2015

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 66 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2015 Основы измерения коэффициента шума в радиочастотном и микроволновом диапазонах Часть 1 Рис. 1. Зависимость вероятности битовой ошибки от отношения несущая/шум для разных видов цифровой модуляции В статье разбираются основные понятия, которые используются при измерении и вычислении шумовых характеристик радиоэлектронных устройств и их компонентов, рассматриваются методы измерения коэффициента шума и особенности специализированных приборов. Максим Соковишин, Keysight Technologies Современным радиоприёмным сис- темам зачастую приходится работать с очень слабыми сигналами. При этом слабые сигналы маскируются шумами, вносимыми компонентами системы. Способность системы обрабатывать сигналы низкого уровня характери- зуется такими параметрами, как чув- ствительность, коэффициент бито- вых ошибок (BER) и коэффициент шума. Коэффициент шума – особен- ный параметр, поскольку он применим не только к системе в целом, но и к её компонентам: предусилителю, смеси- телю, усилителю ПЧ. Регулируя коэф- фициент шума и коэффициент переда- чи компонентов системы, разработчик тем самым регулирует коэффициент шума всей системы. Если коэффициент шума известен, то, зная ширину поло- сы, легко оценить чувствительность системы. Коэффициент шума часто выступает ключевым параметром, отличающим одну систему от другой, один усилитель от другого, один тран- зистор от другого. Поскольку характе- ристика «коэффициент шума» играет столь важную роль, измерять её с высо- кой точностью и надёжностью необ- ходимо как поставщикам изделий, так и заказчикам. Для получения высокоточных и по- нятных результатов измерения без выполнения сложных ручных проце- дур существуют приборы для измере- ния коэффициента шума с простым пользовательским интерфейсом. Их использование не требует глубоких знаний в области теории шума. Одна- ко некоторая базовая подготовка будет полезной, поскольку позволит правильно интерпретировать резуль- таты и составить целостную карти- ну действия шумов в радиочастотных и микроволновых системах. З НАЧЕНИЕ ШУМА В СИСТЕМАХ СВЯЗИ В системах связи отношение сиг- нал/шум (S/N) на выходе приёмной системы является очень важным пара- метром. С трудностями прослушива- ния и распознавания радиосигналов в присутствии шумов многие знако- мы не понаслышке. Однако способ- ность к распознаванию аудиоинфор- мации сложно оценить количествен- но, поскольку она во многом зависит от человеческого фактора – знания языка, степени усталости, натрениро- ванности, опыта, а также от содержа- ния сообщения. Коэффициент шума и чувствительность, напротив, могут получить объективную количествен- ную оценку. Эти два параметра тесно связаны. Для цифровых систем свя- зи в качестве количественной меры надёжности часто используется коэф- фициент битовых ошибок (BER) или вероятность появления битовой ошиб- ки P(e). Коэффициент битовых оши- бок связан с коэффициентом шума нелинейно. Так, при постепенном уменьшении отношения сигнал/шум значение BER резко возрастает вблизи уровня шума, где последовательность единиц и нулей начинает сбивать- ся. Коэффициент шума характеризу- ет степень работоспособности систе- мы, тогда как BER показывает, является ли система действующей. На рисунке 1 показана зависимость вероятности ошибки от отношения несущая/шум (которое может интерпретировать- ся как отношение сигнал/шум) для нескольких видов цифровой модуля- ции. Видно, что при изменении отно- шения сигнал/шум всего на несколь- ко децибел BER изменяется на несколь- ко порядков. Отношение сигнал/шум на выхо- де устройства зависит от отношения сигнал/шум на входе и коэффици- ента шума данного устройства. При этом в наземных системах отноше- ние сигнал/шум на входе зависит от мощности передатчика, коэффици- ента усиления передающей антенны, коэффициента передачи атмосфе- ры, температуры атмосферы, коэф- фициента усиления приёмной антен- ны и коэффициента шума приёмника. Снижение коэффициента шума при- ёмника оказывает такое же влияние на отношение сигнал/шум на выхо- де, как и улучшение любого другого параметра. И СТОЧНИКИ ШУМА Измеряемый шум является результа- том спонтанных изменений в обычных процессах, протекающих в электриче- ском оборудовании. Тепловой шум рождается в резуль- тате колебаний электронной и дыроч- ной проводимости из-за конечной тем- пературы. Спектр некоторых коле- баний лежит в измеряемой полосе частот, и эти колебания вносят шум в полезные сигналы. Спектр теплово- го шума в полосах радиочастотного и микроволнового диапазонов прибли-