เสียงรบกวน

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
ข้ามไปที่การนำทาง ข้ามไปที่การค้นหา

ตัวเลขเสียงรบกวน (NF) และปัจจัยด้านเสียง ( F ) เป็นตัวเลขของข้อดีที่บ่งบอกถึงความเสื่อมของอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ที่เกิดจากส่วนประกอบในสายสัญญาณ ตัวเลขบุญเหล่านี้ใช้เพื่อประเมินประสิทธิภาพของเครื่องขยายเสียงหรือเครื่องรับวิทยุ โดยค่าที่ต่ำกว่าบ่งชี้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

ปัจจัยเสียงถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของกำลังเสียง ออก ของอุปกรณ์ต่อส่วนของสัญญาณรบกวนจากความร้อนในการสิ้นสุดอินพุตที่อุณหภูมิเสียง มาตรฐาน T 0 (โดยปกติคือ 290  K ) ปัจจัยด้านเสียงจึงเป็นอัตราส่วนของสัญญาณรบกวนเอาต์พุตจริงกับสิ่งที่จะยังคงอยู่หากตัวอุปกรณ์เองไม่ได้ทำให้เกิดเสียงรบกวน หรืออัตราส่วนของ SNR อินพุตต่อ SNR เอาต์พุต

ปัจจัยด้านเสียงและตัวเลข สัญญาณรบกวน มีความสัมพันธ์กัน โดยในอดีตเป็นอัตราส่วนแบบไม่มีหน่วย และส่วนหลังเป็นอัตราส่วนเดียวกันแต่แสดงเป็นหน่วยเดซิเบล (dB) [1]

ทั่วไป

ตัวเลขเสียงรบกวนคือความแตกต่างของเดซิเบล (dB) ระหว่างเอาต์พุตเสียงของเครื่องรับจริงกับเอาต์พุตเสียงของเครื่องรับ "ในอุดมคติ" ที่มีอัตราขยายและแบนด์วิธ โดยรวมเท่ากัน เมื่อเครื่องรับเชื่อมต่อกับแหล่งสัญญาณที่ตรงกันที่อุณหภูมิเสียง มาตรฐาน T 0 (ปกติ 290 K) พลังเสียงจากการโหลด อย่างง่าย เท่ากับkTBโดยที่kคือค่าคงที่ Boltzmann , Tคืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของโหลด (เช่นตัวต้านทาน ) และBคือแบนด์วิดท์การวัด

สิ่งนี้ทำให้รูปสัญญาณรบกวนเป็นรูปที่มีประโยชน์สำหรับระบบภาคพื้นดินซึ่งอุณหภูมิประสิทธิภาพของเสาอากาศมักจะอยู่ใกล้มาตรฐาน 290 K ในกรณีนี้เครื่องรับหนึ่งตัวที่มีสัญญาณรบกวนบอกว่าดีกว่าอีก 2 dB จะมีสัญญาณเอาท์พุต ต่ออัตราส่วนเสียงที่ดีกว่าอีกประมาณ 2 dB อย่างไรก็ตาม ในกรณีของระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม โดยที่เสาอากาศเครื่องรับชี้ไปยังพื้นที่เย็น อุณหภูมิที่มีประสิทธิภาพของเสาอากาศมักจะเย็นกว่า 290 K [2]ในกรณีเหล่านี้ การปรับปรุงตัวเลขสัญญาณรบกวนของเครื่องรับ 2 dB จะส่งผลให้มีมากขึ้น มากกว่าการปรับปรุง 2 เดซิเบลในอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน ด้วยเหตุนี้ ตัวเลขที่เกี่ยวข้องของอุณหภูมิเสียง ที่มีประสิทธิภาพดังนั้นจึงมักใช้แทนตัวเลขสัญญาณรบกวนสำหรับกำหนดลักษณะเครื่องรับสื่อสารผ่านดาวเทียมและเครื่องขยายเสียงสัญญาณรบกวนต่ำ

ใน ระบบ เฮเทอโรไดน์ พลังงานสัญญาณรบกวนเอาท์พุตรวมถึงการปลอมแปลงจาก การแปลง ความถี่ ภาพ แต่ส่วนที่มาจากสัญญาณรบกวนจากความร้อนในการสิ้นสุดอินพุตที่อุณหภูมิสัญญาณรบกวนมาตรฐานจะรวมเฉพาะส่วนที่ปรากฏในเอาต์พุตผ่านการแปลงความถี่หลักของระบบและไม่รวมว่า ซึ่งปรากฏผ่านการแปลง ความถี่ของภาพ

คำจำกัดความ

ปัจจัยเสียง Fของระบบถูกกำหนดเป็น[3]

โดยที่SNR iและSNR o เป็น อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนอินพุตและเอาต์พุตตามลำดับ ปริมาณSNRเป็นอัตราส่วนพลังงานแบบไม่มีหน่วย ตัวเลขเสียงNFถูกกำหนดให้เป็นปัจจัยเสียงในหน่วยเดซิเบล (dB):

โดยที่SNR i, dBและSNR o, dBอยู่ในหน่วยของ (dB) สูตรเหล่านี้จะใช้ได้ก็ต่อเมื่อการสิ้นสุดอินพุตอยู่ที่อุณหภูมิเสียง มาตรฐาน T 0 = 290 Kแม้ว่าในทางปฏิบัติ อุณหภูมิที่แตกต่างกันเล็กน้อยจะไม่ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อค่า

ปัจจัยด้านเสียงของอุปกรณ์สัมพันธ์กับอุณหภูมิเสียงรบกวน T e : [4]

ตัว ลดทอนสัญญาณมีปัจจัยเสียงFเท่ากับอัตราส่วนการลดทอนLเมื่ออุณหภูมิทางกายภาพเท่ากับT 0 โดยทั่วไป สำหรับตัวลดทอนที่อุณหภูมิทางกายภาพT อุณหภูมิ ของสัญญาณรบกวนคือT e = ( L − 1) Tทำให้เกิดปัจจัยเสียง

ปัจจัยด้านเสียงของอุปกรณ์ต่อเรียง

หากมีอุปกรณ์หลายตัวเรียงต่อกัน สามารถหาค่าปัจจัยเสียงทั้งหมดได้จากสูตรของ Friis : [5]

โดยที่F nคือปัจจัยเสียงสำหรับอุปกรณ์ที่nและG nคือกำลังรับ (เชิงเส้น ไม่ใช่ใน dB) ของอุปกรณ์ ที่ n แอมพลิฟายเออร์ตัวแรกในห่วงโซ่มักจะมีผลกระทบที่สำคัญที่สุดต่อตัวเลขเสียงรบกวนทั้งหมด เนื่องจากตัวเลขเสียงรบกวนของสเตจต่อไปนี้จะลดลงตามการเพิ่มของสเตจ ดังนั้น แอมพลิฟายเออร์ตัวแรกมักจะมีสัญญาณรบกวนต่ำ และข้อกำหนดเกี่ยวกับตัวเลขสัญญาณรบกวนของขั้นตอนต่อๆ ไปมักจะผ่อนคลายมากกว่า

ปัจจัยเสียงรบกวนเป็นฟังก์ชันของเสียงรบกวนเพิ่มเติม

แหล่งสัญญาณส่งสัญญาณกำลังและเสียงของพลัง. ทั้งสัญญาณและสัญญาณรบกวนได้รับการขยาย อย่างไรก็ตาม นอกเหนือจากสัญญาณรบกวนที่ขยายจากแหล่งกำเนิดแล้ว แอมพลิฟายเออร์ยังเพิ่มสัญญาณรบกวนเพิ่มเติมไปยังเอาต์พุตที่แสดงด้วย. ดังนั้น SNR ที่เอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงจึงต่ำกว่าที่อินพุต

ปัจจัยเสียงอาจแสดงเป็นฟังก์ชันของเอาต์พุตเพิ่มเติมที่อ้างอิงกำลังเสียงและพลังที่ได้รับของเครื่องขยายเสียง

ที่มา

จากคำจำกัดความของปัจจัยเสียง[3]

และสมมติว่าเป็นระบบที่มีแอมพลิฟายเออร์สเตจเดี่ยวที่มีเสียงดัง อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของแอมพลิฟายเออร์นี้จะรวมถึงสัญญาณรบกวนที่อ้างอิงเอาท์พุตของตัวเอง, ขยายสัญญาณและเสียงอินพุตขยาย,

การแทนที่ SNRของเอาต์พุตเป็นคำจำกัดความของปัจจัยเสียง[6]

ในระบบน้ำตกไม่ได้อ้างถึงสัญญาณรบกวนเอาต์พุตของส่วนประกอบก่อนหน้า การสิ้นสุดอินพุตที่อุณหภูมิเสียงรบกวนมาตรฐานจะยังคงถูกสันนิษฐานไว้สำหรับส่วนประกอบแต่ละส่วน ซึ่งหมายความว่าพลังเสียงเพิ่มเติมที่เพิ่มโดยแต่ละส่วนประกอบนั้นไม่ขึ้นกับส่วนประกอบอื่นๆ

ตัวเลขสัญญาณรบกวนออปติคัล

ข้างต้นจะอธิบายถึงเสียงรบกวนในระบบไฟฟ้า แหล่งไฟฟ้าสร้างเสียงรบกวนด้วยความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังเท่ากับkTโดยที่kคือค่าคงที่ Boltzmann และTคืออุณหภูมิสัมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ยังมีสัญญาณรบกวนในระบบออปติคัลอีกด้วย แหล่งที่มาเหล่านี้ไม่มีสัญญาณรบกวนพื้นฐาน แทนการหาปริมาณพลังงานทำให้เกิดเสียงช็อตที่โดดเด่นในเครื่องตรวจจับ ซึ่งสอดคล้องกับความหนาแน่นสเปกตรัมพลังงานเสียงของhfโดยที่hคือค่าคงที่พลังค์และfคือความถี่แสง

ในปี 1990 มีการกำหนดตัวเลขสัญญาณรบกวนทางแสง [7]สิ่งนี้เรียกว่า F pnf สำหรับp hoton n umber f luctuations [8]กำลังที่จำเป็นสำหรับการคำนวณ SNR และปัจจัยรบกวนคือกำลังไฟฟ้าที่เกิดจากกระแสในโฟโตไดโอด SNR คือกำลังสองของโฟโตเคอร์เรนซีเฉลี่ยหารด้วยความแปรปรวนของโฟโตเคอร์เรนซี แสงแบบเอกรงค์หรือแสงที่ลดทอนเพียงพอจะมีการกระจายแบบปัวซองของโฟตอนที่ตรวจพบ หากในระหว่างช่วงการตรวจจับ ค่าคาดหวังของโฟตอนที่ตรวจพบเป็นnความแปรปรวนก็จะเป็นn เช่น กัน และค่าหนึ่งได้SNR pnf ใน = n 2/ n = . เบื้องหลังแอมพลิฟายเออร์ออปติคัลที่มีกำลังรับGจะมีค่าเฉลี่ยของโฟตอนGn ในขอบเขตของขนาดใหญ่nความแปรปรวนของโฟตอนคือGn (2 n sp ( G -1)+1)โดยที่n spคือปัจจัยการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเอง หนึ่งได้รับSNR pnf ออก = G 2 n 2 /( Gn (2 n sp ( G -1)+1)) = n /(2 n sp (1-1/ G )+1/ ) . ปัจจัยสัญญาณรบกวนแสงที่เป็นผลลัพธ์คือ F pnf = SNR pnf,in / SNR pnf,out = 2 n sp (1-1/ G )+1 / G

F pnf อยู่ ในความขัดแย้งทางแนวคิดเมื่อเทียบกับปัจจัยเสียงไฟฟ้า ซึ่งปัจจุบันเรียกว่า F e :

Photocurrent เป็นสัดส่วนกับพลังงานแสง กำลังแสงเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแอมพลิจูดสนาม (ไฟฟ้าหรือแม่เหล็ก) ดังนั้นเครื่องรับจึงไม่เป็นเชิงเส้นในแอมพลิจูด กำลังไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับ การคำนวณ SNR pnfเป็นสัดส่วนกับกำลังที่ 4 ของแอมพลิจูดสัญญาณ แต่สำหรับF eในโดเมนไฟฟ้า กำลังจะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแอมพลิจูดของสัญญาณ

ที่ความถี่ไฟฟ้าบางอย่าง สัญญาณรบกวนเกิดขึ้นในเฟส (I) และในพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส (Q) ด้วยสัญญาณ พื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสทั้งสองนี้มีอยู่ด้านหลังเครื่องขยายสัญญาณไฟฟ้า เช่นเดียวกับในแอมพลิฟายเออร์ออปติคัล แต่เครื่องรับแสงแบบตรวจจับโดยตรงที่จำเป็นสำหรับการวัดSNR pnfคำนึงถึงสัญญาณรบกวนในเฟสเป็นหลัก ในขณะที่สัญญาณรบกวนแบบพื้นที่สี่เหลี่ยมสามารถละเลยได้สำหรับnสูง นอกจากนี้เครื่องรับยังส่งออกพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสเดียวเท่านั้น ดังนั้นพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสหนึ่งหายไป

สำหรับแอมพลิฟายเออร์ออปติคัลที่มีG ขนาดใหญ่ จะเก็บF pnf ≥ 2 ในขณะที่สำหรับ แอมพลิฟายเออร์ e lectrical จะเก็บF e ≥ 1

นอกจากนี้ การสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติกระยะไกลในปัจจุบันยังครอบงำโดยตัวรับ I&Q แบบออปติคัลที่เชื่อมโยงกัน แต่F pnfไม่ได้อธิบายการเสื่อมสภาพของ SNR ที่สังเกตพบในสิ่งเหล่านี้

ความขัดแย้งข้างต้นได้รับการแก้ไขโดยตัวเลขสัญญาณรบกวนในเฟสออปติคัลและการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสF o, IQ [9]สามารถวัดได้โดยใช้เครื่องรับ I&Q แบบออปติคัลที่สอดคล้องกัน ในสิ่งเหล่านี้ กำลังของสัญญาณเอาท์พุตจะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแอมพลิจูดของสนามออปติคัล เนื่องจากพวกมันเป็นแอมพลิจูดเชิงเส้น พวกเขาผ่านทั้งสองพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส สำหรับแอมพลิฟายเออร์ออปติคัล จะมีF o,IQ = n sp (1-1/ G )+1/ G ≥ 1 จำนวนn sp (1-1/ G )คือจำนวนโฟตอนสัญญาณรบกวนที่เพิ่มเข้ามาต่อโหมดอ้างอิงอินพุต

F o,IQและ F pnfสามารถแปลงเป็นกันและกันได้อย่างง่ายดาย สำหรับ G ขนาดใหญ่ จะถือ F o,IQ = F pnf /2หรือเมื่อแสดงเป็น dB, F o,IQจะน้อยกว่าF pnf 3 dB

ตัวเลขเสียงรวม

ความหนาแน่นสเปกตรัมพลังงานเสียงทั้งหมดต่อโหมดคือkT + hf ในโดเมนไฟฟ้าhfสามารถละเลยได้ ในโดเมนออปติคัลkTสามารถละเลยได้ ในระหว่างนั้น พูดใน THz ต่ำหรือโดเมนความร้อน ทั้งสองจะต้องได้รับการพิจารณา เป็นไปได้ที่จะผสมผสานระหว่างโดเมนไฟฟ้าและออปติคัลเพื่อให้ได้ตัวเลขสัญญาณรบกวนสากล

สิ่งนี้ถูกลองโดยการรวมF eและF pnfเข้าด้วยกัน [10]แต่ไม่สามารถเอาชนะความแตกต่างทางแนวคิดระหว่างF pnfและF eได้: ดูเหมือนว่าเป็นไปไม่ได้ที่แอมพลิจูดของสัญญาณกำลังสอง (กำลังในโดเมนไฟฟ้า) ที่เพิ่มความถี่ (จากไฟฟ้าเป็นความร้อนเป็นแสง) จะค่อยๆ กลายเป็นกำลัง 4 ของแอมพลิจูด ( พลังในเครื่องรับการตรวจจับโดยตรงด้วยแสง) และ 2 พื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส (ในโดเมนไฟฟ้า) ค่อยๆ กลายเป็น 1 พื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส (ในเครื่องรับการตรวจจับโดยตรงด้วยแสง) นอกจากนี้ ปัจจัยเสียงในอุดมคติจะต้องเปลี่ยนจาก 1 (ไฟฟ้า) เป็น 2 (ออปติคัล) ซึ่งไม่ง่ายนัก

ได้การรวมตัวเลขออปติคัลและสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าที่สอดคล้องกันสำหรับF eและF o , IQ ไม่มีความขัดแย้งเพราะทั้งสองสิ่งนี้อยู่ในแนวความคิดที่ตรงกัน (กำลังเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแอมพลิจูด, 2 สี่เหลี่ยมจัตุรัส, ปัจจัยเสียงในอุดมคติเท่ากับ 1) เสียงรบกวนจากความร้อนkTและเสียงควอนตัมพื้นฐานhfถูกนำมาพิจารณาด้วย ตัวเลขสัญญาณรบกวนที่เป็นหนึ่งเดียวคือF IQ = ( kTF e + hfF o,IQ ) / ( kT + hf ) = ( kT ( T + T e )) +hf ( n sp (1-1/ G )+1/ G ) ) / ( kT + hf ) [9]

ดูเพิ่มเติม

อ้างอิง

  1. ^ "อุณหภูมิเสียง ตัวเลขเสียงรบกวน และปัจจัยเสียง" .
  2. ^ Agilent 2010 , หน้า. 7
  3. a b Agilent 2010 , p. 5 .
  4. ^ Agilent 2010 , หน้า. 7มีการจัดเรียงใหม่จาก T e = T 0 ( F − 1) .
  5. ^ Agilent 2010 , หน้า. 8..
  6. ^ แอสเพนคอร์ ที่มาของสมการรูปเสียง (DOCX) , หน้า 3-4
  7. ^ E. Desurvire, „Erbium doped fiber amplifiers: Principles and Applications“, Wiley, New York, 1994
  8. ^ HA Haus "เสียงของแอมพลิฟายเออร์ออปติคัล" ใน IEEE Photonics Technology Letters, vol. 10 ไม่ 11, pp. 1602-1604, พ.ย. 1998, ดอย: 10.1109/68.726763
  9. ^ a b R. Noe "Consistent Optical and Electrical Noise Figure" ใน Journal of Lightwave Technology, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3212936, https://ieeexplore.ieee.org/document/9915356
  10. ^ HA Haus, "Noise Figure Definition Valid from RF to Optical Frequencies" ใน IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 6 เลขที่ 2 มีนาคม/เมษายน 2543 หน้า 240-247

ลิงค์ภายนอก

โดเมนสาธารณะ บทความนี้รวม เนื้อหาที่ เป็นสาธารณสมบัติจากFederal Standard 1037C การบริหารบริการทั่วไป (สนับสนุนMIL-STD-188 )