Теоретические основы оптико-электронных приборов - Мирошников М.М.
Скачать (прямая ссылка):
При разработке того или иного прибора конструктор обычно руководствуется следующим правилом: уровень шумов должен определяться шумом источника сигнала. Например, если источником сигнала в электронной части тракта прибора является приемник излучения, то именно шум, генерируемый приемником, должен быть преобладающим.
В ходе разработки сложного прибора необходимо стремиться к тому, чтобы свести до минимума все шумы, увеличивающие шум источника сигнала.
Количественной мерой оценки уровня шума является коэффициент шума или шум-фактор, учитывающий прирост шумов на выходе данного участка тракта прибора по отношению к шумам на его входе.
Рассмотрим выражение для коэффициента шума применительно к электронной части тракта оптико-электронного прибора. Если мощность шума на зажимах приемника излучения, состоящего из шума фона и собственного внутреннего шума приемника, обозначить через Рш пр, а мощность шума усилителя со входной цепью — через Рш.^с, то коэффициент шума этих элементов — усилителя и входной цепи—равен
р РШ. пр Ч~ Рш. ус 1 _|_ Рш. ус
Рш. пр Рш. пр
При вычислении шум-фактора все шумы должны быть отнесены к одной точке тракта передачи сигнала, например к выходу
443
усилителя. Кроме того, необходимо определить, в какой полосе пропускания задается коэффициент шума.
Нели задавать его в единичной полосе частот, центрированной относительно какой-то определенной частоты, то шум-фактор является функцией частоты.
Иногда величина F рассчитывается для всей эквивалентной шумовой полосы пропускания рассматриваемого участка тракта прибора. В этом случае определяется коэффициент усредненного шума, уже не являющийся функцией частоты.
Так как коэффициент шума представляет собой отношение мощностей, его удобно выразить в децибелах (дБ) по формуле
Для идеального нешумящего приемного устройства коэффициент шума равен единице, а в случае если выражать его в децибелах — нулю.
Если F = 2 (Fx — 3 дБ), то говорят, что имеет место согласование шумов, так как в этом случае дополнительный собственный шум рассматриваемого участка тракта прибора Рш доп равен шуму, поступающему на его вход Рш нх, т. е. при
Иногда коэффициент шума определяется в терминах отношения сигнала к шуму (с/ш). Это возможно в случае, если отношение с!ш понимать как отношение мощности сигнала к мощности шума. Считая усиление но мощности для сигнала и шума одинаковым, найдем, что при отсутствии собственного шума рассматриваемого участка тракта усиления отношение (с/ш)вых — (с/ш)„х. При наличии дополнительных шумов имеем
Fi - 10 lg F.
С \ ___Рс. вы\
С. вых
\ ш ) «ЫХ РШ. ВЫХ 4“ (Рш. вых) ДОП
так как коэффициент шума
ш. вых,
ТО
F — (с/ш) нх/ (с/ш) ьых
§ 2. ШУМОВАЯ ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ
Если спектральная плотность шума, действующего на входе четырехполюсника равна Евх (f), а его коэффициент передачи равен К (/), то спектральная плотность шума на выходе четырех-
полюсннка равна Е„ых (/) = | Д” (/) |2ЕВХ (/). Дисперсию шума па выходе, соответственно, найдем в виде
«ш. вых - I Ешх (/) ‘Ч = f Е»х (/) I к (/) f df.
о о
Введем обозначения
Ео = Ем (/„.); АГо = |A(UI,
где /ох частота, на которой задано значение спектральной плотности входного шума (например, шума приемника излучения); /02 — частота, на которой задано абсолютное значение модуля коэффициента передачи четырехполюсника (обычно частота, соответствующая максимальному значению модуля коэффициента передачи), если далее
«вх(/)=* Евх(/)/Ео, /</) = /с (/)//Со. то можно найти
«ш ь»« = Eo/(S J е„х (/) ] к (/) f <//. о
Обозначим
со
Д/ш = J«„x(ftl*(/)|2d/.
о
тогда
вых — Eq/^O А/ш-
Смысл полученного выражения состоит в том, что действие шума с заданной спектральной плотностью на входе четырехполюсника, имеющего заданную частотную характеристику, по эффекту на выходе может быть заменено действием белого шума с постоянной спектральной плотностью Е0 на четырехполюсник с прямоугольной частотной характеристикой, имеющей ширину А/ш и коэффициент передачи равный /(0 в пределах полосы частот А/ш и равный нулю вне этой полосы частот.
Величина А/ш называется шумовой полосой пропускания. Если входной шум белый, т. е. Евх (/) = Е0 = const; евх (/) = 1, то
Д/ш. Сл = ]\k(l)fdf. о
Для случая, когда частотная характеристика четырехполюсника имеет прямоугольную форму, т. е.
1 при /i < f < /У,
О при h>f>}2,
445
имеем
t 2
Д/ш = I ев>: (/) df.
ft
или, если шум — белый, Д/ш бел = /2 — /х.
Для окрашенного шума, когда, например, Енх (/) = Е0/01//, т. е. eDX (/) = /01//, шумовая полоса равна
Если в этом случае частотная характеристика четырехполюсника имеет прямоугольную форму, получим Д/ш 0кР= /01 In (/У/i).
В качестве примера рассмотрим расчет шумовой полосы пропускания апериодического звена для белого шума. Так как в этом случае
Так как частота среза (частота, на которой коэффициент передачи по мощности падает в два раза *) для апериодического звена равна /ср — 1/(2лт), то
-----—-----1----Г J---------------I-- U XI ---» / ' д.
представить либо эквивалентным генератором электродвижущей силы (рис. 313, б), равной среднеквадратическому значению э. д. с.
