Conceptos básicos de la figura de ruido (NF): qué es y cómo usarlo para ayudarlo a diseñar un receptor: etapa única.

Figura de ruido (NF): un mito y un importante parámetro de RF.

Es uno de los términos que muchas personas de RF tienen dificultades para comprender y aplicar realmente.

Hay fórmulas complicadas involucradas para confundirte una vez que trabajas en ellas.

Y es posible que tenga dificultades para aplicarlos correctamente para diseñar un receptor.

Al diseñar circuitos para usar con señales extremadamente débiles, el ruido es una consideración importante.

La figura de ruido (NF) es una medida de cuánto degrada un dispositivo la relación señal / ruido (SNR), con valores más bajos que indican un mejor rendimiento.

La contribución de ruido de cada dispositivo en la ruta de la señal debe ser lo suficientemente baja como para no degradar significativamente la relación señal / ruido.

Te mostraré esos conceptos de RF fáciles y comunes y eventualmente podrás diseñar y completar proyectos de RF y productos vendibles en muy poco tiempo sin cometer muchos errores.

También proporcionaré algunos recursos para aquellos de ustedes que deseen aprender detalles más avanzados.

¿Qué es "kTB"?
Antes de discutir el Factor de ruido y la Figura de ruido, necesitamos saber mejor sobre el ruido del receptor.

Lo primero que debemos saber es que hay un ruido térmico en todas partes en el espacio y esta es la potencia de ruido mínima que debemos enfrentar y manejar.

De ninguna manera podemos deshacernos de él.

El diseño del receptor habría sido mucho más fácil si este ruido básico no existiera.

Todos los demás tipos de ruido no son deseables y debemos hacer todo lo posible para minimizarlos.

Por lo general, expresamos ruido en vatios ya que es un tipo de potencia.

La amplitud de esta potencia de ruido térmico es:

Ruido térmico = k (Julios / ˚K) × T (˚K) × B (Hz)

Donde k es la constante de Boltzmann en julios / ˚K, T es la temperatura en ° Kelvin (° K) y B es el ancho de banda en Hz.

Si,
k = 1.38 × 10−23
T = 290 ° K (equivalente a 17 ° C o 62.6 ° F)
Y,
B = 1Hz
Entonces,
Thermal Noise =1.38×10−23×290×1
= 4.002 × 10−21W / Hz
= 4.002 × 10−18mW / Hz

Si lo convertimos a dBm, entonces,
4.002×10−18mW/Hz=10log(4.002×10−18)
= 6.0−180 = −174dBm / Hz
Esta es la cantidad de potencia de ruido térmico en un ancho de banda de 1 Hz a 17 ° C y debe recordar este número de memoria antes de trabajar con la Figura de ruido.

Ruido térmico y temperatura:

La siguiente tabla muestra el ruido térmico por hertz frente a la temperatura:

Como puede ver en esta tabla, la diferencia de ruido térmico entre estas 2 temperaturas extremas -40 ° C y 75 ° C es solo

−173.2−174.9 = 1.7dBm

Por lo tanto, por conveniencia, usualmente tomamos como referencia el número medio 17 ° C (290 ° K) y -174 dBm.

Ruido térmico y ancho de banda de frecuencia de operación:

Para un ancho de banda de 1 MHz,

Ruido térmico = −174dBm + 10log (1 × 106)

= −114dBm

Terminaremos el "ruido térmico" con 2 preguntas para evaluar cuánto sabe sobre este término. Debe conocerlo a fondo antes de continuar viendo este importante parámetro "Figura de ruido" que discutiremos a continuación:

Q1:  ¿Cuántos dBm por hertz es el ruido térmico a -25 ° C?

Ans.     174.7-dBm

Q2: ¿Cuántos dBm es el ruido térmico total con un ancho de banda de 250 kHz a 65 ° C?

Ans.     119.3-dBm


Relación señal a ruido (SNR)
 


La sensibilidad del receptor es una medida de la capacidad de un receptor para demodular y obtener información de una señal débil. Cuantificamos la sensibilidad como el nivel de potencia de señal más bajo del que podemos obtener información útil.

La señal más débil que puede discriminar un receptor es una función de cuánto ruido térmico agrega el receptor a la señal. La relación señal / ruido es la forma más conveniente de cuantificar este efecto.

Para la señal de entrada a la relación de ruido,

SNRin = Sin / Nin

Donde Sin es el nivel de señal de entrada y Nin es el nivel de ruido de entrada.

Para señal de salida a relación de ruido,

SNRout = Sout / Nout

Donde Sout es el nivel de señal de salida y Nout es el nivel de ruido de salida.

Como kTB está en todas partes, Sout / Nout nunca puede ser mejor que Sin / Nin. Por lo tanto, la mejor situación que puede tener es:

Sout / Nout = Sin / Nin, (SNRout = SNRin)
 
Factor de ruido (F) y
Figura de ruido (NF)
Necesitamos definir estos dos términos "Factor de ruido" y "Figura de ruido" antes de continuar.

Factor de ruido (F) = Sin / NinSout / Nout = SNRinSNRout
El factor de ruido es una medida de cómo un dispositivo degrada la relación señal / ruido.

Debe recordar esta definición de memoria antes de poder trabajar con Noise Figure.

Un circuito electrónico perfecto (que no existe) tendría un factor de ruido de 1.

En el mundo real, siempre es mayor que 1.

Y simplemente

= log (SNRin) −log (SNRout)

La cifra de ruido siempre es mayor que 0 dB.

Me gustaría explicar estos 2 términos importantes usando 3 ejemplos a continuación y espero que se tome el tiempo para seguir cada paso.

Ejemplo #1
Si el circuito electrónico es transparente, la ganancia es 0, el nivel de ruido interno Nckt también es 0.

Ans.

Como Sin = Sout y Nin = Nout

Factor de ruido (F) = 1 y

Figura de ruido (NF) = 10log (1) = 0

Este tipo de circuito casi no existe.

Ejemplo #2
Si la circuitería electrónica es un resistor de red π de resistencia de 6 dB (-6 DB), ¿cuál es el factor de ruido?

Ans.

Tanto Sin como Nin tienen 6 dB de pérdidas, entonces

Sout = (1/4) Sin y supuestamente,

Nout = (1/4) Nin

Pero el ruido térmico mínimo en cualquier lugar es kTB.

¿Entonces
Nout = kTB
Por lo tanto,
Factor de ruido (F) = Sin / NinSout / Nout
= Sin / kTB (1/4) Sin / kTB = 4
Y,
Figura de ruido (NF) = 10log (4) = 6dB
La cifra de ruido es exactamente la misma que la atenuación de 6dB, como se esperaba.

Ejemplo #3

Un amplificador tiene una ganancia de 12 dB y la cifra de ruido es de 3 dB,

(a) cuál es el nivel de ruido por Hz (en dBm) en el puerto de salida, y

(b) ¿cuál es el ruido adicional por Hz (en dBm) creado en este amplificador?




Ans.

(un).
Ya que,
¿Entonces

Sout = 16 × Sin

Sin / Nin16Sin / Nout = 1.995

Por lo tanto, El nivel de ruido (en dBm) en el puerto de salida es:

=10log31.9+10logkTB=15.0−174

= −159.0dBm

(segundo).

Y

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

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

Después de unos pocos pasos de operación.

x = 15

Entonces, el ruido extra (en dBm) creado en este amplificador es:

15kTB=15×4.0×10−18mW

= 6.0 × 10−17mW = −162.2dBm

 

Bien, es hora de terminar este artículo. ¿Te gustaría saber si realmente entiendes qué es Noise Figure y cómo usarlo? Descubra de estas 2 preguntas:

Q1: Un LNA tiene una ganancia de 20 dB. Si el nivel de ruido medido en el puerto de salida es -152 dBm / Hz, ¿cuál es el NF de este amplificador?

Resp. 2 dB

P2: El NF de un amplificador es de 1.0 dB y el ancho de banda de frecuencia de operación es de 200 kHz, si el nivel de ruido del puerto de salida medido es de -132 dBm, ¿cuál es la ganancia de este amplificador?

Resp. 18 dB

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