www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Gürültü

Resim 1: Bir PPI-ekranda kuvvetlendirilmiş arka plan gürültüsü

Hintergrundrauschen auf einem PPI-scope, schwache Zielzeichen wie in in 250 Grad, 46 Nautische Meilen sind nur schwer erkennbar © 2008 Christian Wolff

Resim 1: Bir PPI-ekranda kuvvetlendirilmiş arka plan gürültüsü

Gürültü

Gürültü, rasgele oluşan ve istatistik yasalarıyla kavranabilen, genellikle istenmeyen bir işaretdir. Gürültü, bir radarın alıcı aygıtının hassasiyetini sınırlayan bir olgudur. Bu nedenle gürültünün bir şekilde niceliksel olarak tanımlanması gerekir. Gürültü alıcıda işlenen faydalı işaretle binişen, bu nedenle istenmeyen bir işaretdir. Gürültü ile hemen hemen tüm elektronik modüllerde karşılaşılır ve farklı nedenlerle ortaya çıkarlar:

Gürültü, örneğin bir radar alıcısına gelen yankı işaretleri gibi zayıf işaretlerde görülür. Gürültü istatistiki kurallara göre seviyesi inip çıkan bir işaretdir. Tüm frekansları aynı genlikle olan gürültü işaretline „beyaz gürültü“ denir. Bu “beyaz” nitelemesini, tüm renklerin eşit miktarda katkısıyla oluşan beyaz ışıktan almaktadır. Buna karşılık „pembe gürültü (pink noise)“ denilen, frekansla ters orantılı (yani 1/f) gibi bir çizgeye dağılan bir kavram daha vardır. Birçok elektronik uygulamasında karşılaşılan bu gürültü işaretlerinin bant genişlikleri büyüktür. Modern radarların alıcıları genellikle süperheterodin tiptir ve bant genişlikleri yaklaşık ara frekans değeri kadardır. Formüldeki Bn değerine dikkat edilmesi gerekir. Bu değer sıkça elektronik devrelerde kullanılan -3 dB yarı-güç değerine denk düşen bant genişliği değildir.

Gürültü işaretleri alıcıya antenden gelebildiği gibi, alıcının kendi devrelerinden de kaynaklanabilir. Antene, işaret gücü ile birlikte gürültü gücü de gönderilir. Bu gürültü gücü, alıcının f frekansına ve B bant genişliğine bağlıdır. Antenin etkin gürültü sıcaklığı (equivalent noise temperature) genellikle antenin yükseklik açısına bağlıdır. Bu alınan gürültü işaretli antenin baktığı yöne bağlıdır: Gürültü gücü, uzaydan gelen ışınımdan (genellikle samanyolundaki galaktik ya da kozmik ışınımdan), atmosferde soğrulmuş elektromanyetik ışınımından ve yerin ısıl gürültüsünden kaynaklanır. Bu gürültü işaretli, yansımış zayıf radar işaretlerinden ayırt edilemez ve alıcıdaki tüm yükselteç katlarında radar işaretleri ile birlikte yükseltilir.

Radarın kendisi gürültüden arınmış bir ortamda çalışsa ve alıcının kendisi gürültü açısından mükemmel bir aygıt olsa bile, alıcının omik devrelerinde elektron yükünün bir kurala tabi olmaksızın hareket etmeleri sonucunda yine gürültü meydana gelir. Bu gürültüye ısıl-gürültü (thermal noise) denir. Bu akımların anlık ortalama değerleri sıfırdır, ama etkin değerleri (rms) sıfır olmamaktadır. Büyüklüğü alıcının omik devrelerinin sıcaklığına ve alıcının bant genişliğine ve frekansına bağlıdır.

Resim 2: Bir osiloskopta gürültü görüntüsü (ölçme kablosunun ucu açık iken)

Rauschen auf einem Oszilloskop
(Büyütmek için tıklayınız: 640·480 piksel = 300 kByte)

Resim 2: Bir osiloskopta gürültü görüntüsü (ölçme kablosunun ucu açık iken)

Bir sistemdeki (ya da bir ağdaki) gürültü üç değişik, eşdeğerli kavramla tanımlanabilir:

Bu büyüklükler sırasıyla; boyutsuz oran, desibel cinsinden oran ya da etken sıcaklık olarak ifade edilebilir.

Bant genişliği Bn ve sıcaklığı (T) olan bir alıcının olabilecek (available) ısıl-gürültü gücü:

N = kTBn   k = Boltzmann katsayısı (1,38·10-23 Joules/K)
Bn = Bant genişliği [Hz] ve
T = Etken sıcaklık
(1)

Girişteki olabilecek en küçük gürültü gücü değeri, mutlak sıcaklıkta yani T0=0°K iken tanımlanır. Normal çevre sıcaklığında (T = 290°K = 17°C) gürültünün bant genişliği içindeki ortalama güç yoğunluğu yaklaşık 4·10-21 W/Hz kadardır. Eğer alıcının devreleri farklı bir sıcaklıkta ise ısıl-gürültü gücü farklı bir değer alır.

Gürültü katsayısı (Fn )

Bir modülün girişindeki faydalı PSE işaretli yanında başka kaynaktan (örneğin bir radar yankısından) gelen bir PRE gürültüsü bulunur. Her yükselteç katının da kendine özgü bir gürültüsü vardır ve ilaveten başka kaynaklardan gelen PRE gürültüsünü de yükseltir ve yükselttiği işaretlin üstüne bindirir. Bir belirlenmiş giriş frekansındaki Gürültü Katsayısı (Noise Factor) Fn:

Fn = Rauschleistung am Ausgang der Baugruppe (2)
verstärkte Rauschleistung vom Eingang der Baugruppe
Gürültü katsayısı F =      PSE (Girişteki faydalı işaret)
  PRE (Girişteki gürültü işaretli)
  PSA (Çıkıştaki faydalı işaret)
  PRA (Çıkıştaki gürültü işaretli)

Gürültü katsayısı boyutsuz bir büyüklüktür.

Gürültü Kazancı (F)

Gürültü Kazancı (Noise Figure, NF) Gürültü Katsayısının desibel cinsinden ifadesidir. Bu, bir verilen bant genişliği için bir radyo frekans işaret zincirindeki devrelerin sebep olduğu işaret-gürültü oranındaki bozulmanın ölçütüdür. Bu, bir aygıtta gürültü gücünün girişten çıkışa doğru artışıdır ve faydalı işaret kazancından daha büyüktür. Gürültü Kazancı bir oran ya da desibel olarak ifade edilebilir. Modern alıcılarda Gürültü Kazancı aygıtların veri sayfalarında desibel olarak verilir. Bu değer genellikle 8 dB ila 10 dB arasında değişir. Gürültü Kazancı, bir alıcıdan geçen işaretlin işaret-gürültü oranının ne kadar bozulduğunun bir ölçütü gibi düşünülebilir. Gürültü devre içindeki elemanların sıcaklıklarına bağlı olması nedeniyle gürültü katsayısı referans sıcaklık T0= 290K (yaklaşık 16,8 °C) de tanımlanır.

Gürültü Sıcaklığı (Te )

gürültü altındaki
modül

Resim 3: Gürültü altındaki modül, giriş devresi sıcaklığı T= 0 K

gürültü altındaki
modül

Resim 3: Gürültü altındaki modül, giriş devresi sıcaklığı T= 0 K

Formülde sıkça kullanılan kT0B büyüklüğüne, gürültüden arınmış ideal bir alıcının ulaşabileceği mümkün olabilecek en küçük gürültü gücü denir. Pratikte her alıcı gürültülüdür, gürültü katsayısı 1 den daha büyüktür ve bu nedenle gürültü kazancının da keza 0 dan büyük olması gerekir.

Bir dört terminalli devrenin gürültü özellikleri Gürültü Katsayısı yanında sıkça Etkin Gürültülü Sıcaklık (Noise Temperature) olarak adlandırılan Te ile karakterize edilir. Bu, genelde ortam sıcaklığı T0 ile aynı olmayan, sadece bir saf aritmetiksel büyüklük olarak algılanmalıdır.

gürültü altında
olmayan modül
Nadd= kTeB

Resim 4: Gürültü altında olmayan modül, giriş devresi sıcaklığı Te

gürültü altında
olmayan modül
Nadd= kTeB

Resim 4: Gürültü altında olmayan modül, giriş devresi sıcaklığı Te

Bu sıcaklık, gürültüden arınmış devrenin (Resim.3) çıkışında aynı gürültü gücünü sağlayan, gürültüden arınmış ideal dört-kutuplu devrenin (Resim.4) girişinde bulunması gereken sıcaklık olarak tanımlanır.

T = Genellikle 290 K (= 17°C = 62°F) olarak kullanılan referans sıcaklık.

Te = (F - 1) ·T   T = Referans sıcaklık, genellikle 290 K (= 17°C = 62°F) olarak alınır. (2)
Gürültü
sıcaklığı
Gürültü
gücü
Frekans
Atmosferik
gürültü
Kozmik
gürültü

Resim 5: Anten-Gürültü Sıcaklığı ile Anten-Gürültü-Gücü arasındaki frekansa bağlı ilişki
(ε= demetin yükseklik açısı)

Gürültü
sıcaklığı
Gürültü
gücü
Frekans
Atmosferik
gürültü
Kozmik
gürültü

Resim 5: Anten-Gürültü Sıcaklığı ile Anten-Gürültü-Gücü arasındaki frekansa bağlı ilişki
(ε= demetin yükseklik açısı)

Gürültü
sıcaklığı
Gürültü
gücü
Frekans
Atmosferik
gürültü
Kozmik
gürültü

Resim 5: Anten-Gürültü Sıcaklığı ile Anten-Gürültü-Gücü arasındaki frekansa bağlı ilişki
(ε= demetin yükseklik açısı)

Girişteki olabilecek en küçük gürültü gücü değeri mutlak sıcaklık T0=0°K iken tanımlanır. Normal çevre sıcaklığında (T = 290°K = 17°C), gürültünün ortalama güç yoğunluğu yaklaşık 4·10-21 W/Hz kadardır.

Formülde sıkça kullanılan kT0B büyüklüğüne, gürültüden arınmış ideal bir alıcının ulaşabileceği mümkün olabilecek en küçük gürültü gücü denir. Pratikte her alıcı gürültülüdür, gürültü katsayısın 1 den daha büyüktür ve bu nedenle gürültü kazancının keza 0 dan da büyük olması gerekir.