А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 55
Текст из файла (страница 55)
Оптимального ее решения в зависимости от диапазона частот, а так- же от величины сопротивления источника сигнала достигают различными способами. В области низких частот, где велика интенсивность избыточных шумов при высоко- омных источниках сигнала, наиболее чувствительными оказываются усилители на по- левых транзисторах с р — п-переходом. 'При подборе сопротивления источника сигнала г04 Глава 8.
Ш мм (8.42) Пусть эквивалентная шумовая температура усилителя равна Т,. Заменим реальный усилитель идеальным нешумящим усилителем с таким же коэффициентом усиления, как у реального. Пусть на входе идеального усилителя действует тот же источник сигнала, что и на входе реального.
Потребуем, чтобы мощность шумов на выходе идеального усилителя имела такую же величину, как и на выходе реального. Для выполнения этого требования температура внутреннего сопротивления источника сигнала на входе идеального усилителя должна быть выше температуры внутреннего сопротивления источника сигнала на входе реального усилителя на величину Т,. Пусть источник сигнала на входе реального усилителя имеет температуру Т, = 290 К. Тогда напряжение шумов У на входе идеального усилителя можно определить с помощью формулы Найквиста (8.43) Г.
=.~от. т,~я,ь~ = у.ь. где В; — сопротивление источника сигнала. С учетом (8.42) эта величина равна У,„. Вычислим величину У ь для случая, когда Т, = 15 К, 21, = 1кОм, Ь~ = 1Гц. Подста- вляя эти значения в (8.43), получим У,„И 2 10 ~В. Подчеркнем, что этот результат получен при условии, что полоса пропускания усилителя равна 1 Гц. На практике столь узкая полоса обеспечивается с помощью фильтров. С расширением полосы пропускания усилителя минимальная амплитуда сигнала в соответствии с (8.43) увеличивается пропорционально (Ь ~)ц'. На более высоких частотах и при малых значениях сопротивления источника сигнала предпочтительнее усилители на биполярных транзисторах. Кремниевые биполярные транзисторы в диапазоне частот от нескольких десятков килогерц до нескольких десятков мегагерц позволяют получить шумовую температуру усилителя порядка 30 К.
С повышением рабочей частоты чувствительность усилителей на биполярных транзисторах ухудшается. Зто можно видеть из следующей таблицы. Из таблицы вытекает, что создание высокочувствительных усилителей СВЧ диапазона на биполярных транзисторах наталкивается на значительные трудности. Более чувствительными в дипазоне СВЧ оказываются усилители, использующие специальные по минимуму коэффициента шума усилители на лучших полевых транзисторах могут иметь шумовую температуру менее 10 К. При сопротивлении источника сигнала от 10' до 10' Ом достигается шумовая температура порядка 15 К. При малых сопротивлениях источника сигнала в области низких частот лучшие результаты получают при использовании биполярных транзисторов.
Например, если сопротивление генератора сиптала не превышает 10' Ом, то усилители на лучших образцах биполярных транзисторов позволяют получить шумовую температуру порядка 20 К. Оценим величину минимальной амплитуды сигнала, который может быть зарегистрирован усилителями с подобными характеристиками.
Условимся, что сигнал можно зарегистрировать, если отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе усилителя равно единице, т. е. 6.6. Методы выделения сигнала из ш мов 206 электровакуумные приборы — лампы бегущей волны (ЛБВ). Усилители этого типа могут иметь в диапазоне СВЧ шумовую температуру порядка 300 К. Более высокую чувствительность позволяют получить полевые транзисторы с барьером Шотгки.
В следующей таблице указаны рабочие частоты и соответствующие эффективные шумовые температуры таких транзисторов из арсенида галлия. Сравнение эффективных шумовых температур биполярных транзисторов и полевых транзисторов с барьером Шоттки показывает, что у последних эффективная шумовая температура на порядок ниже. Однако и при использовании полевых транзисторов сохраняется общая тенденция: эффективная шумовая температура увеличивается с ростом рабочей частоты.
Наибольшую чувствительность в диапазоне СВЧ имеют квантовые парамагнитные усилители. Их эффективная шумовая температура может быть доведена до 1 — 5 К. Недостатком этих усилителей является необходимость их глубокого охлаждения (до гелиевых температур). Более простыми, не требующими обязательного охлаждения, но также высокочувствительными являются параметрические усилители. У неохлажденных параметрических усилителей СВЧ диапазона эффективная шумовая температура может иметь величину порядка 50 — 100 К. При охлаждении параметрические усилители позволяют получить эффективную шумовую температуру порядка 10 — 20 К, т.
е. по чувствительности приближаются к квантовым парамагнитным усилителям. 8.6. Методы выделения сигнала из шумов Метод накопления Метод накопления — один из наиболее распространенных методов вьшеления сигнала из шумов. Рассмотрим применение этого метода а случае, когда сигнал представляет собой медленно меняющееся напряжение. Пусть этот сигнал принимается на фоне шума, причем мгновенное значение напряжения шума равно и (1), тогда как напряжение сигнала имеет величину и,(1).
Если в момент времени 1 провести измерение суммарного напряжения сигнала и шума, то в результате будет зарегистрировано напряжение и(1), которое можно представить в виде и(1) = и,(1)+и (1). После проведения однократного измерения для отношения ЛГ, мощности сигнала к мощности шума будем иметь (3.44) и' Предположим теперь, что за интервал времени Т, удовлетворяющий условию т ((Т((т„ (8.45) где т — время корреляции шума, т, — время корреляции сигнала„делается и измерений суммарного напряжения сигнала и шума, причем отдельные измерения разделены интервалами времени Ж (не обязательно равными) такими, что выполняется соотно- шение гое Глава й. Ш ы Ь$ Ъ т .
Результаты этих измерений можно представить в виде в,(Ф) = в,(Г,)+и (г,), а,(г) = и'.(г,)+ и.(г,')', (8.46) (8.47) и„(Ф) = и,(Ф„)+ и (г„). Поскольку по условию интервал времени Т, разделяющий первое и последнее измерения, удовлетворяет неравенству Т 4, т„за время проведения всех и измерений напряжение сигнала изменяется несущественно. Будем для простоты считать, что напряжение сигнала сохраняет ту же величину и„которая имела место при первом измерении. Вместе с тем значения напряжения шума при проведении всех и замеров являются статистически независимыми, так как по условию (8.46) последовательно проводимые измерения разделены интервалом времени, существенно превышающим время корреляции шума т .
Складывая равенства (8.47) с учетом сделанных замечаний и обозначая результат суммирования через У(г), получим У(г) = ~~ и„(Г) = ии, + ~> и (Гь). ь=~ ью Принимая во внимание статистическую независимость величин и (Гь), отношение йГ„мощностей сигнала и шума для величины У(г), полученной в результате и измерений, можно записать в виде и иа 2 з й Е ии,) х ! (8.48) Сравнивая (8.44) и (8.48), находим йг„= и)у,.
Таким образом, проведение и независимых измерений позволяет увеличить отношение мощностей сигнала и шума в и раз. Заметим, что под независимыми измерениями в данном случае имеются в виду измерения, при проведении которых шумовые напряжения являются статистически независимыми. Причина увеличения отношения мощности сигнала к мощности шума состоит в том, что сложение результатов отдельных измерений происходит при условии, что сигнал всегда имеет одну и ту же величину, а шумы статистически независимы. Поэтому мощность сигнала растет как и', а мощность шума как и.
Для успешного применения описанной модификации метода накопления необходимо, чтобы время корреляции сигнала т, было много больше времени корреляции шума т (соотношение (8.45)), причем чем больше требуемый выигрыш в отношении сигнала к шуму, тем больше должна быть разница времен корреляции т, и т и тем больше времени требует сама процедура накопления результата. Эти ограничения можно снять, если использовать возможность одновременного получения и независимых значений суммарного напряжения сигнала и шума. Такая возможность имеет место при передаче одного н того же сигнала по и независимым каналам связи.
Независимыми можно считать каналы, в которых действуют независимые шумы. Например, если основным источником шумов является приемная аппаратура, то можно принимать сигнал одновременно несколькими приемниками и использовать выходные напряжения этих приемников как независимые значения суммарного напряжения сигнала и шума. 'Можно также использовать каналы, разделенные по частоте или иным образом. 8.6. Методы выделения сигнала иэ шумов 207 Метод фильтрации Метод фильтрации основан на использовании различия спектров сигнала и шума.
Рассмотрим наиболее характерные случаи, в каждом из которых использование метода фильтрации характеризует определенная специфика. а) Спектры сигнала и шума не перекрываются. В такой ситуации для выделения сигнала из шума достаточно использовать фильтр, который бы пропускал полосу частот, соответствующую спектру сигнала, и задерживал все спектральные составляющие шума. К сожалению, такое положение редко имеет место на практике.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
