Шумы в радиолокации
Рисунок 1. Шумовой фон на индикаторе кругового обзора
Шумы в радиолокации
Шум – это случайный, как правило, нежелательный, сигнал. Он имеет место в различных приложениях:
- вы можете слышать его в акустических сигналах как дополнительное постоянное шипение,
- вы можете видеть его как изменение яркости или цвета фона или видеоотметок или (см. увеличенный Рисунок 1) точечное изменение яркости на экране ИКО радиолокатора и
- вы можете измерить шумовое напряжение (уровень шума) при помощи осциллографа или наблюдать в виде «зеленой травы» («green grass») на индикаторе А-типа радиолокационной системы.
Влияние шума наиболее заметно там, где полезные сигналы имеют низкий уровень, например, при слабом эхо-сигнале в приемнике радиолокатора. Шум характеризуется своими статистическими свойствами. Шум, обладающий равномерным спектром на всех частотах, называют «белым» шумом. Таким образом, «белый» шум имеет одинаковую мощность в фиксированной полосе пропускания на любой центральной частоте. «Белый» шум получил свое название по аналогии с белым светом, в котором, как известно, спектральная плотность мощности распределена по всему видимому диапазону. Другим типом электронного шума является так называемый «розовый» шум, спектральная плотность мощности которого имеет зависимость от частоты вида 1/f. Шум возникает почти во всех электронных устройствах и является результатом множества факторов.
Источники шума возникают как внутри, так и вне рассматриваемой цепи. Наряду с мощностью полезного сигнала антенна радиолокатора принимает мощность шума (мощность помех). Интенсивность принимаемого шума зависит от рабочей частоты f и ширины полосы пропускания приемника B. Часто для оценки шума указывается эквивалентная шумовая температура антенны, при этом отмечается, что она зависит от угла места. Она связана с мощностью помех, поступающих от внеземных источников излучения (галактический или космический шум), находящихся преимущественно в Млечном Пути, а также, являющихся результатом поглощения электромагнитного излучения в атмосфере и шумовой температуры Земли. Поскольку такие шумы невозможно отделить от полезных сигналов (в случае радиолокации – эхо-сигналов целей), то принятый шум будет усилен во всех каскадах приемника радиолокатора, как и полезные сигналы.
Источники шума, находящиеся внутри цепи, создают мощность внутреннего шума. Наиболее частыми причинами являются: шум полупроводниковых приборов, тепловой шум омических сопротивлений или проводимостей, а также шумовые токи носителей заряда. Тепловой шум возникает вследствие неравномерного движения носителей заряда в резистивном материале при протекании тока. Усредненное во времени значение этого тока равно нулю, а среднеквадратическое значение не равно нулю.
Рисунок 2. Шум на открытом измерительном кабеле осциллографа
Рисунок 2. Шум на открытом измерительном кабеле осциллографа
Источники шума, находящиеся внутри цепи, создают мощность внутреннего шума. Наиболее частыми причинами являются: шум полупроводниковых приборов, тепловой шум омических сопротивлений или проводимостей, а также шумовые токи носителей заряда. Тепловой шум возникает вследствие неравномерного движения носителей заряда в резистивном материале при протекании тока. Усредненное во времени значение этого тока равно нулю, а среднеквадратическое значение не равно нулю.
Шумы системы или цепи оцениваются при помощи трех разных, но взаимосвязанных между собой, параметров:
- так называемый фактор шума (Fn), выраженный в виде безразмерного отношения,
- коэффициент шума (Кш, NF), выраженный в децибелах,
- эквивалентная шумовая температура (Тэ).
Фактор шума
Фактор шума (Fn) устройства определяет, какое количество шума будет вноситься этим устройством (каскадом), дополнительно к поступающему на него шуму. Фактор шума для заданной входной частоты определяется в виде отношения:
| Fn = | мощность шума на выходе | (1) |
| выходная мощность шума, вызванного внешним источником |
Как можно видеть, фактор шума представляет собой безразмерное соотношение.
Наряду с приведенным выражением используется также выражение, в котором отношение сигнал/шум на входе устройства делится на отношение сигнал/шум на его выходе.
Коэффициент шума
Коэффициент шума (Кш, NF) – это фактор шума, выраженный в децибелах (дБ). Он представляет собой степень ухудшения отношения сигнал/шум, вызванного устройством (трактом) для заданной полосы пропускания. Увеличение мощности шума от входа к выходу устройства больше, чем увеличение мощности полезного сигнала. Таким образом, коэффициент шума показывает уменьшение отношения сигнал/шум. Значение коэффициента шума указывается в спецификациях и для современных приемников составляет от 8 до 10 дБ.
Шумовая температура
Шум в системе может быть также выражен в виде эквивалентной шумовой температуры Tэ. Данный параметр не имеет отношения к физической температуре устройства (например, антенны). Шумовая температура устройства равна температуре резистора, который имел бы такую же мощность теплового шума в заданной полосе частот. Обратите внимание: шумовая температура простого резистора равна действительной его температуре. А вот шумовая температура диода может быть во много раз больше действительной температуры этого диода.
Шум в приемной системе может иметь тепловое происхождение (тепловой шум) или может быть вызван другими процессами, генерирующими шум. Большинство этих других процессов генерируют шум, спектр и распределение вероятностей которого аналогичны тепловому шуму. Из-за этого сходства вклад всех источников шума можно объединить и рассматривать как тепловой шум. Минимальный уровень сигнала, который может быть обнаружен, ограничен тепловым шумом, улавливаемым антеннами, обращенными к черному телу (которое находится при комнатной температуре 290°K = 17°C = 62°F), и шумом, генерируемым в подсистемах приемника.
температура
шума
шум
шум
Рисунок 3. Частотная зависимость отношения шумовая температура — мощность шума (ε – угол места луча)
температура
шума
шум
шум
Рисунок 3. Частотная зависимость отношения шумовая температура — мощность шума (ε – угол места луча)
температура
шума
шум
шум
Рисунок 3. Частотная зависимость отношения шумовая температура — мощность шума (ε – угол места луча)
Тепловой шум характеризуется плотностью мощности N, которая определяется соотношением
| N = kTB |
где: | k – постоянная Больцмана (1.38·10-23 Дж/К) B – ширина полосы пропускания в герцах T – температура в Кельвинах |
(2) |
Минимальная входная мощность шума соответствует абсолютному нулю температуры Т=0°K. При нормальной рабочей температуре (Т=290°K) произведение kT равно около 4·10-21 Вт/Гц.
С учетом всех этих причин, величина kTВ считается минимальной мощностью входного шума только для некоторого идеального приемника. На практике шум в приемнике всегда выше на некоторый коэффициент, выраженный в децибелах, известный как коэффициент шума.