Notions de base de la figure de bruit (NF): Qu'est-ce que c'est et comment l'utiliser pour vous aider à concevoir un récepteur - une seule étape.

Noise Figure (NF): un mythe ainsi qu'un paramètre RF important.

C'est l'un des termes que beaucoup de gens RF ont du mal à vraiment comprendre et appliquer.

Il existe des formules compliquées pour vous rendre très confus une fois que vous les avez étudiées.

Et vous pourriez avoir du mal à les appliquer correctement pour concevoir un récepteur.

Lors de la conception de circuits à utiliser avec des signaux extrêmement faibles, le bruit est une considération importante.

Le Noise Figure (NF) est une mesure de la dégradation d'un rapport signal / bruit (SNR) par un appareil, des valeurs plus faibles indiquant de meilleures performances.

La contribution au bruit de chaque appareil sur le chemin du signal doit être suffisamment faible pour ne pas dégrader de manière significative le rapport signal / bruit.

Je vais vous montrer ces concepts RF simples et courants et vous pourrez éventuellement concevoir et réaliser des projets RF et des produits vendables en très peu de temps sans faire beaucoup d'erreurs.

Je fournirai également quelques ressources à ceux d'entre vous qui souhaitent en savoir plus sur les détails.

Qu'est-ce que «kTB»?
Avant de discuter du facteur de bruit et de la figure de bruit, nous devons mieux connaître le bruit du récepteur.

La première chose que nous devons savoir, c'est qu'il y a un bruit thermique partout dans l'espace et c'est la puissance de bruit minimale que nous devons affronter et gérer.

Pas moyen de s'en débarrasser.

La conception du récepteur aurait été beaucoup plus facile si ce bruit de base n'existait pas.

Tous les autres types de bruit ne sont pas souhaitables et nous devons faire de notre mieux pour les minimiser.

Habituellement, nous exprimons le bruit en watts car il s'agit d'un type de puissance.

L'amplitude de cette puissance de bruit thermique est:

Bruit thermique = k (Joules / ˚K) × T (˚K) × B (Hz)

Où k est la constante de Boltzmann en Joules / ˚K, T est la température en ° Kelvin (° K) et B est la bande passante en Hz.

Si,
k = 1.38 × 10−23
T = 290 ° K (équivalent à 17 ° C ou 62.6 ° F)
Et,
B = 1 Hz
Puis,
Thermal Noise =1.38×10−23×290×1
= 4.002 × 10−21 W / Hz
= 4.002 × 10−18 mW / Hz

Si nous le convertissons en dBm, alors,
4.002×10−18mW/Hz=10log(4.002×10−18)
= 6.0−180 = −174dBm / Hz
Il s'agit de la quantité de puissance de bruit thermique dans une bande passante de 1 Hz à 17 ° C et vous devez vous souvenir de ce nombre par cœur avant de travailler avec Noise Figure.

Bruit thermique et température:

Le tableau ci-dessous montre le bruit thermique par hertz en fonction de la température:

Comme vous pouvez le voir dans ce tableau, la différence de bruit thermique entre ces 2 températures extrêmes -40 ° C et 75 ° C est seulement

−173.2−174.9 = 1.7 dBm

Par conséquent, pour des raisons de commodité, nous prenons généralement le nombre du milieu 17 ° C (290 ° K) et -174 dBm comme références.

Bruit thermique et bande passante de fréquence de fonctionnement:

Pour une bande passante de 1 MHz,

Bruit thermique = −174dBm + 10log (1 × 106)

= −114dBm

Nous conclurons le «bruit thermique» avec 2 questions pour tester vos connaissances sur ce terme. Vous devez bien le connaître avant de continuer à voir cet important paramètre «Noise Figure» dont nous parlerons ci-dessous:

Q1:  Combien de dBm par hertz est le bruit thermique à -25 ° C?

Ans.     174.7-dBm

Q2: Combien de dBm représente le bruit thermique total avec une bande passante de 250 kHz à 65 ° C?

Ans.     119.3-dBm


Rapport signal sur bruit (SNR)
 


La sensibilité du récepteur est une mesure de la capacité d'un récepteur à démoduler et à obtenir des informations à partir d'un signal faible. Nous quantifions la sensibilité comme le niveau de puissance du signal le plus bas à partir duquel nous pouvons obtenir des informations utiles.

Le signal le plus faible qu'un récepteur peut distinguer est fonction de la quantité de bruit thermique que le récepteur ajoute au signal. Le rapport signal / bruit est le moyen le plus pratique de quantifier cet effet.

Pour le rapport signal d'entrée / bruit,

SNRin = Sin / Nin

Où Sin est le niveau du signal d'entrée et Nin le niveau de bruit d'entrée.

Pour le rapport signal de sortie / bruit,

SNRout = Sout / Nout

Où Sout est le niveau du signal de sortie et Nout est le niveau de bruit de sortie.

Puisque kTB est partout, Sout / Nout ne peut jamais être meilleur que Sin / Nin. Par conséquent, la meilleure situation que vous pouvez avoir est:

Sout / Nout = Sin / Nin, (SNRout = SNRin)
 
Facteur de bruit (F) &
Figure de bruit (NF)
Nous devons définir ces deux termes «facteur de bruit» et «figure de bruit» avant d'aller plus loin.

Facteur de bruit (F) = Sin / NinSout / Nout = SNRinSNRout
Le facteur de bruit est une mesure de la façon dont le rapport signal / bruit est dégradé par un appareil.

Vous devez vous souvenir de cette définition par cœur avant de pouvoir travailler avec Noise Figure.

Un circuit électronique parfait (qui n'existe pas) aurait un facteur de bruit de 1.

Dans le monde réel, il est toujours supérieur à 1.

Et simplement,

= log (SNRin) −log (SNRout)

Le facteur de bruit est toujours supérieur à 0 dB.

Je voudrais expliquer ces 2 termes importants en utilisant 3 exemples ci-dessous et j'espère que vous prendrez le temps de suivre chacune des étapes.

Exemple #1
Si le circuit électronique est transparent, le gain est égal à 0, le niveau de bruit interne Nckt est également égal à 0.

Ans.

Puisque Sin = Sout et Nin = Nout

Facteur de bruit (F) = 1 et

Figure de bruit (NF) = 10log (1) = 0

Ce type de circuit n'existe presque pas.

Exemple #2
Si le circuit électronique est un atténuateur de réseau π à résistance de 6 dB (-6 DB), quel est le facteur de bruit?

Ans.

Sin et Nin ont des pertes de 6 dB, donc

Sout = (1/4) Sin et soi-disant,

Nout = (1/4) Nin

Mais le bruit thermique minimal n'importe où est de kTB.

Alors,
Nout = kTB
Par conséquent,
Facteur de bruit (F) = Sin / NinSout / Nout
= Sin / kTB (1/4) Sin / kTB = 4
Et,
Figure de bruit (NF) = 10log (4) = 6dB
Le facteur de bruit est exactement le même que l'atténuation 6 dB, comme prévu.

Exemple #3

Un amplificateur a un gain de 12 dB et le facteur de bruit est de 3 dB,

a) quel est le niveau de bruit par Hz (en dBm) au port de sortie, et

(b) quel est le bruit supplémentaire par Hz (en dBm) créé dans cet amplificateur?




Ans.

(une).
Depuis,
Alors,

Sout = 16 × Sin

Sin / Nin16Sin / Nout = 1.995

Par conséquent, le niveau de bruit (en dBm) au port de sortie est:

=10log31.9+10logkTB=15.0−174

= −159.0dBm

(b).

Et

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

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

Après quelques étapes de fonctionnement

x = 15

Le bruit supplémentaire (en dBm) créé dans cet amplificateur est donc:

15kTB=15×4.0×10−18mW

= 6.0 × 10−17 mW = −162.2 dBm

 

D'accord, il est temps de conclure cet article. Aimez-vous savoir si vous comprenez vraiment ce qu'est le Noise Figure et comment l'utiliser? Découvrez à partir de ces 2 questions:

Q1: Un LNA a un gain de 20 dB. Si le niveau de bruit mesuré au port de sortie est de -152 dBm / Hz, quel est le NF de cet amplificateur?

Ans. 2 dB

Q2: Le NF d'un amplificateur est de 1.0 dB et la largeur de bande de fréquence de fonctionnement est de 200 kHz, si le niveau de bruit du port de sortie mesuré est de -132 dBm, quel est le gain de cet amplificateur?

Rép. 18 dB

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