Gürültüler
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:
- Akustik işaretlerinin elektronik olarak yükseltilmesi sırasında sürekli bir ilave tıslama duyulur.
- Bir radarın PPI-ekranındaki resim ya da video dizilerinde, parlaklığı ve renk bilgisi noktadan noktaya rasgele değişen, ekranın tamamını bir gri sis gibi kaplayan küçük noktalar halinde görülürler. (Resim.1 i büyüterek bakınız)
- • Gürültünün gerilimi bir osiloskop ile ölçülebilir. Bunlar bir radarın A-ekranında dönen saptırma ışınında bir „çim halı“ gibi görülürler.
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
Resim 2: Bir osiloskopta gürültülerin görüntüsü
Bir sistemdeki (ya da bir ağdaki) gürültü üç değişik, eşdeğerli kavramla tanımlanabilir:
- Gürültü katsayısı (Fn ),
- Gürültü sayısı (F) ve
- Gürültü sıcaklığı (Te ).
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 )
modüller
Resim 3: Gürültü altındaki modül, giriş devresi sıcaklığı T= 0 K (yine, gürültülü olmayan)
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.
olmayan modül
Resim 4: Gürültü altında olmayan eşdeğer modül, giriş devresi sıcaklığı Te
olmayan modül
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) |
sıcaklığı
gücü
gürültüler
gürültüler
Resim 5: Anten-Gürültü Sıcaklığı ile Anten-Gürültü-Gücü arasındaki frekansa bağlı ilişki
(ε= Ölçüm anteninin yükseklik açısı)
sıcaklığı
gücü
gürültüler
gürültüler
Resim 5: Anten-Gürültü Sıcaklığı ile Anten-Gürültü Gücü arasındaki frekansa bağlı ilişki
(ε= Ölçüm anteninin yükseklik açısı)
sıcaklığı
gücü
gürültüler
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.