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

Gürültüler

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

Gürültüler

Gürültü; istatistiki ve rasgele oluşan, bir büyük bant genişliğine sahip, çoğu elektronik uygulamalarda karşılaşılan istenmeyen işaretlerdir:

Gürültü rahatsız edici işaretlerdir. Gürültü, alıcıda işlenen zayıf faydalı işaretle binişen ve bu nedenle istenmeyen bir işarettir. Gürültü istatistiki kurallara göre dalgalanan bir işarettir. Tüm frekansları aynı genliğe sahip olan gürültü işaretine „beyaz gürültü” denir. Bu „beyaz” nitelemesi, tüm renklerin eşit miktarda katkısıyla oluşan beyaz ışıktan gelmektedir. Buna karşılık, „renkli gürültü” denilen, frekansla ters orantılı, genellikle 1/f çizgesine sahip bir kavram daha vardır. Gürültü ile hemen hemen tüm elektronik modüllerde karşılaşılır ve farklı nedenlerle ortaya çıkarlar.

Gürültü işaretleri alıcıya antenden gelebildiği gibi, alıcının kendi devrelerinden de kaynaklanabilir. Anten, işaret gücü ile birlikte gürültü gücünü de (interference power) alabilir. Bu gürültü gücü, f frekansına ve alıcının B bant genişliğine bağlıdır. Antenin etken gürültü sıcaklığı (effective noise temperature) genellikle antenin yükseklik açısına bağlı olarak tanımlanır. Bu, alınan gürültünün yönüne bağlıdır: Gürültü gücü, uzaydan gelen ışınımdan (özellikle samanyolundaki galaktik ya da kozmik gürültü), atmosferde soğrulmuş elektromanyetik ışınımından ve yerin ısıl gürültüsünden kaynaklanabilir. Bu gürültü işareti, yansımış zayıf radar işaretlerinden ayırt edilemez ve alıcıdaki tüm yükselteç katlarında radar işaretleri ile birlikte yükseltilir.

Devre içindeki gürültü gücünün en yaygın nedenleri: yarıiletken gürültüleri ve omik direnç veya iletkenlik değerlerinin ısıl gürültüleri ve yük taşıyıcı akım gürültüleridir. Isıl gürültü, direnç malzemelerinde akım akışına katkıda bulunan yük taşıyıcılarının rastgele hareketinden kaynaklanmaktadır. Bu akımın zamansal ortalaması sıfırdır, ancak ikinci dereceden zamansal ortalaması sıfır değildir.

Resim 2: Bir osiloskopta gürültülerin görüntüsü

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

Resim 2: Bir osiloskopta gürültülerin görüntüsü

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 edilebilirler.

Gürültü katsayısı (Fn )

Bir modül grubunun gürültü katsayısı (noise factor) girişe uygulanan gürültü gücünün bir şekilde yükseltilmiş gürültüye ek olarak ne kadar gürültü gücü ürettiğini gösterir. Bir modül grubunun gürültü katsayısı:

Fn = Modül çıkışındaki gürültü gücü (1)
Modül girişindeki gücün yükseltilmiş değeri

Gürültü katsayısı boyutsuz bir orandır.

Gürültü Sayısı

Gürültü Sayısı (Noise Figure, NF) uygulamada bir modülün Gürültü Katsayısının desibel (dB) cinsinden ifadesidir. Sınır hassasiyetleri sıkça F Gürültü Sayısında ölçülür. Her yükselteç katı kendisine özgü bir gürültüye sahiptir, ilaveten girişte diğer kaynaklardan gelen gürültüyü de yükseltir ve bu gürültü yükseltilmiş faydalı işaretle binişir. Teorik olarak olabilecek en büyük kazanç katsayısı gürültü ile sınırlıdır.

Gürültü Sayısı işaret gücünün, bir devrenin çıkışındaki gürültü gücünün, giriştekine göre ne kadar daha küçük olduğunu gösterir. Bir alıcıdan geçen işaretin, işaret-gürültü oranının ne kadar bozulduğunun bir ölçütü gibi düşünülebilir. Gürültünin devre içindeki elemanların sıcaklıklarına bağlı olması nedeniyle gürültü katsayısı referans sıcaklık T0= 290K (= ca. 16,8 °C) de tanımlanır.

Gürültü Sıcaklığı (Te )

Gürültü altındaki
modüller

Resim 3: Gürültü altındaki modül, giriş devresi sıcaklığı T= 0 K (yine, gürültülü olmayan)

gürültü altındaki
modüller

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

Bir dört kutuplu devrenin gürültü özelliklerini karakterize etmek için gürültü katsayısı yanında, sıkça Etken Gürültü Sıcaklığı (Effective Noise Temperature) denilen Te ifadesi de kullanılır. 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 eşdeğer modül, giriş devresi sıcaklığı Te

gürültü altında
olmayan modül
Nadd= kTeB

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

Te, Resim. 4 deki gürültüden arınmış ideal 4-kutuplu devrenin çıkışında aynı gürültü gücünü sağlayan Resim. 3 deki gürültü altındaki devrenin girişinde bulunan devrenin sıcaklığı olarak tanımlanır.

Bununla birlikte, Etken Gürültü Sıcaklığı Te ve Gürültü Sayısı F arasında bir ilişki vardır.

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

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

Gürültü
sıcaklığı
Gürültü
gücü
Frekans
Atmosferik
gürültüler
Kozmik
gürültüler

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

Gürültü
sıcaklığı
Gürültü
gücü
Frekans
Atmosferik
gürültüler
Kozmik
gürültüler

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

Bir ısıl gürültü, genellikle aşağıdaki formüldeki N Ortalama Güç Yoğunluğu ile ifade edilir:

N = kTB    
 
 
k = Boltzmann katsayısı (1,38·10-23 Joules/K)
B = Bant genişliği [Hz] ve
T = Etken sıcaklık [Kelvin]
(3)

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.

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 0 dan daha büyük olması gerekir.