Источники помех радиоприёму, их виды.

1. Квазигармонические. То есть сигналы, имеющие форму синусоиды, возможно с какой-либо модуляцией. Существуют практически во всех частотных диапазонах. Имеют, как правило, техногенное происхождение. Это излучения гетеродинов других приёмников, автогенераторов другого назначения, других радиопередающих станций, помехопостановщиков и т.д.

2. Импульсные. То есть единичные сигналы, имеющие малую длительность, и, как правило, большую амплитуду. Могут быть как природного происхождения (грозовые разряды), так и техногенного происхождения (импульсные источники питания, задающие генераторы вычислительной техники, усилители развёрток кинескопов и т.д.). Так как короткие импульсы имеют весьма широкий спектр, то очень велика вероятность того, что гармоники этих сигналов попадут в полосу пропускания приёмника. Благодаря наличию таких помех возможно ударное воздействие на системы АРУ и другие инерционные цепи приёмника, что приведёт к их временной расстройке, перегрузке и потере сигнала.

3. Флуктуационные. Помехи представляющие собой случайные шумовые флуктуации входного напряжения. Как правило, носят природный характер. Космические, солнечные и атмосферные шумы. В большинстве случаев имеют нормальный закон распределения амплитуды.

Кроме внешних помех и шумов существуют внутренние шумы приёмника. Внутренние шумы возникают в пассивных элементах радиоприёмных устройств – резисторах, фильтрах, линиях передачи и в активных приборах, работа которых связана с наличием управляемых потоков носителей зарядов.

Свободные носители заряда, имеющиеся в каждом активном резисторе, хаотически перемещаются под воздействием теплового возбуждения, в результате чего возникают хаотические токи, создающие падение напряжения на сопротивлении резистора. Такие токи и напряжения называются тепловыми шумами. Таким образом, любой проводник является источником теплового шума. На эквивалентной схеме источник теплового шума может быть выражен как источник тока или ЭДС.

Средние напряжения шумового тока и напряжения равны нулю, так как все направления случайных перемещений зарядов равновероятны. Ширина энергетического спектра ограничена длительностью импульса вызванного перемещением заряда, но так как длительность этого перемещения очень мала, то реально шумовой спектр можно считать равномерным до 10¹¹-10¹² Гц. То есть практически во всём радиотехническом диапазоне волн.

Энергетические спектры шумовых напряжения и тока определяются формулами Найквиста

,

Средние квадраты (дисперсии) равны:

где k – постоянная Больцмана; Т – температура, К; Df=f2-f1 – диапазон частот, Гц.

В полупроводниковых активных приборах (транзисторах) и диодах между активной зоной и внешними выводами всегда существует некоторое сопротивление, созданное объёмом полупроводника, оно и является источником теплового шума.

Кроме того, каждый p-n переход обладает так называемым дробовым шумом. Этот шум так же является весьма широкополосным, и его спектр до частот порядка 10¹⁰ – 10¹¹ Гц может быть выражен по формуле Шотки.

, q – заряд электрона.

Средний квадрат тока дробовых шумов

.

ток перехода состоит из

,

управляемого тока основных носителей и неуправляемого тока неосновных (обратного тока насыщения). Е – управляющее напряжение на переходе.

Обе эти составляющие обусловлены различными причинами и флюктуируют независимо, поэтому полный средний квадрат дробовых шумов перехода

подставляя сюда ток , выраженный через полный ток перехода , получаем

при прямом смещении и флюктуациями обратного тока можно пренебречь. При запертом переходе и шумы перехода определяются флуктуациями обратного тока насыщения.

Так же в транзисторе происходит случайный процесс рекомбинации носителей заряда, инжектированных в базу из эмиттера, со свободными носителями заряда противоположенного знака, имеющимися в области базы, создаёт новый источник флуктуаций коллекторного и базового токов. Это называется шумы рекомбинации, их средние квадраты могут быть вычислены по формуле

i_Э – средний ток эмиттера;

a – коэффициент передачи эмиттерного тока транзистора;

Эти шумы так же можно считать равномерными во всём радиотехническом диапазоне частот.

Ещё одним видом шумов, характерным для полупроводников, шумом типа 1/f можно полностью пренебрегать, так как его мощность в радиотехнических диапазонах частот очень мала.

Для обобщённого анализа шумовых характеристик усилительных устройств вводится понятие шумящего четырёхполюсника. Свойства которого можно выразить через систему Y-параметров. На входных и выходных зажимах этого ЧП присутствуют шумы.

Если замкнуть входные и выходные зажимы, можно эти шумы создадут входные и выходные шумовые токи. Эти токи можно представить как некие внешние источники тока.

Для удобства суммирования мощностей шумов все шумы ЧП можно привести к его входным или выходным зажимам. Обычно приводят ко входу.

Это каноническая схема шумящего ЧП. Шумовой ток I_Ш и ЭДС Е_Ш являются коррелированными.

Введём шумовые параметры ЧП: шумовое сопротивление R_Ш, шумовую проводимость G_Ш и проводимость корреляции Y_кор=G_кор+jB_кор. По своему смыслу они заменяют реальные шумы ЧП статистически связанными (Y_кор) тепловыми шумами внешних сопротивлений и проводимостей при комнатной температуре. Вместо источника тока – проводимость, вместо источника напряжения сопротивление.

По определению:

Т₀ – стандартная комнатная температура 300 К.

Эти сопротивления реально НЕ СУЩЕСТВУЮТ, и никаких потерь и расстроек в цепи, включенные между зажимами ЧП, не вносят, а служат лишь для описания шумовых свойств ЧП.

Иногда удобно полагать, что шумовой ток I_Ш создаётся реально существующей активной проводимостью ЧП G₁₁. Тогда вместо шумовой проводимости G₁₁ в качестве параметра следует ввести шумовую температуру этой проводимости:

или относительную шумовую температуру

t₁₁=T₁₁/T₀

Для количественной оценки шумовых свойств радиоприёмных и усилительных устройств вводят коэффициент шума.

Рассмотрим линейный шумящий ЧП.

К входным зажимам подключен источник сигнала, который одновременно создаёт и шум. – тепловой шум активной составляющей выходного сопротивления источника сигнала Z_C=R_C+jX_C при температуре T_C(f).

Мощность шума, рассеиваемая на нагрузочном сопротивлении обусловлена как шумами ЧП, так и источника сигнала. Величина

называется дифференциальным реальным коэффициентом шума системы. Мощность шумов берётся в бесконечно малой области df вблизи частоты f.

индекс «ч» - четырёхполюсник;

индекс «ис» - источник сигнала, с реальной шумовой температурой T_C(f).

Реальный коэффициент шума зависит от шумовых свойств источника сигнала. Для устранения этого недостатка шумовую температуру стандартизируют и принимают равной комнатной 300 К. При этом получается «комнатный» дифференциальный коэффициент шума, называемый просто коэффициентом шума. Оба этих коэффициента связаны соотношением:

Шумы всей системы при определении коэффициента шума можно привести ко входу и заменить эквивалентными шумами источника сигнала. Температуру до которой следует «нагреть» активную составляющую выходного сопротивления источники сигнала (Т_Ч(f)) для получения на выходе при идеальном нешумящем ЧП такой же мощности шумов как и при реальном шумящем называют собственной шумовой температурой четырёхполюсника. При этом единственным шумящим элементом системы остаётся сопротивление R_C.

Поскольку коэффициент шума и шумовая температура отражают одни и те же шумовые свойства ЧП, они связаны друг с другом.

Отсюда

Для ЧП с неравномерной АЧХ используется понятие шумовой полосы пропускания:

Которое выражает эквивалентную полосу шумового спектрана выходе ЧП при прямоугольной аппроксимации АЧХ.

Так же используется шумовое число М

Чем меньше М, тем эффективнее применение данного усилителя в приёмном устройстве с точки зрения снижения коэффициента шума.

При последовательном включении нескольких четырёхполюсников, для снижения общего коэффициента шума необходимо принимать меры для снижения коэффициента шума первого ЧП, а для ослабления влияния шумов последующих ЧП увеличивать его номинальный коэффициент усиления по мощности.