 |
Шумы и помехи в радиоэлектронных цепях
|
|
|
|
В радиоэлектронных цепях, устройствах и системах помимо полезных сигналов, несущих информацию, действуют электрические колебания, представляющие собой случайные процессы. Эти колебания (шумы и помехи) оказывают существенное, а в некоторых случаях решающее влияние на работу радиоэлектронного устройства. Они накладываются на полезный сигнал и создают маскирующий фон, затрудняющий извлечение информации из сигнала. Помехой может быть неслучайный сигнал. Шумом является любая случайная помеха или колебание, на фоне которой должна выделяться информация, связанная с когерентным сигналом.
Так как шум является случайным процессом, для его описания применяются статистические характеристики. Случайные процессы разделяются на стационарные и нестационарные. Стационарными называются процессы, статистические характеристики которых не изменяются во времени. Примером стационарного процесса может являться акустический шум неподвижно стоящего автомобиля. Если же автомобиль удаляется, то его шум становится нестационарным процессом – интенсивность шума изменяется со временем.
Стационарные процессы в свою очередь разделяются на эргодические и неэргодические. Эргодическими называются такие процессы, вероятностные характеристики которых можно определить по одной достаточно длинной реализации, т.е. результат усреднения по времени равен результату усреднения по ансамблю реализаций. В качестве примера эргодического случайного процесса можно привести бросание монеты.
Случайные процессы описываются всевозможными многомерными распределениями вероятностей мгновенных значений. В частности, одномерное распределение можно задать плотностью распределения 
. Вероятность того, что мгновенное значение напряжения шума окажется в интервале 
, в этом случае равна 
.
|
|
|
Во многих случаях плотность распределения вероятностей описывается нормальным законом
, (8.1)
где σ2– дисперсия случайной величины, определяемая как
, (8.2)
при этом 
- эффективное (действующее) значение шумового напряжения. Нормальное распределение показано на рис.8.1. Шум, имеющий такое распределение плотности вероятности мгновенных значений, называется гауссовым. Примером гауссова шума является тепловой шум, который будет рассмотрен ниже.
Рис.8.1. Распределение плотности вероятности нормального шума
Шумы и помехи в радиоэлектронных цепях имеют различную физическую природу и весьма разнообразны по своим свойствам. Так, радиоприему могут мешать сигналы от соседних по частоте радиостанций. Являясь для кого-то полезными, эти сигналы затрудняют прием нужной информации и, таким образом, являются помехами. Еще один вид помех – помехи от всевозможных электрических устройств, таких, как электрический транспорт, коллекторные электродвигатели, электромедицинские приборы, промышленные высокочастотные установки, сварочное оборудование, системы зажигания автомобильных двигателей, электрические звонки и т.п. Сущность этих промышленных помех состоит в том, что при работе перечисленных устройств создается мощное электромагнитное излучение: либо возникает искрообразование, сопровождающееся излучением электромагнитных волн в широком диапазоне частот, либо нормальный режим работы устройства состоит в генерировании незатухающих высокочастотных колебаний.
Из числа помех природного происхождения можно отметить атмосферные помехи. Так, разряд молнии, представляющий собой мощный кратковременный импульс тока, сопровождается излучением электромагнитных волн в широком диапазоне частот. Осаждение инея на приемную антенну сопровождается сильными помехами, так как каждая оседающая на антенну частица может нести значительный электрический заряд. Аналогичные явления происходят во время снегопада или пыльной бури.
|
|
|
Кроме этих внешних по отношению к радиоэлектронной цепи источников мешающих колебаний, и в самой цепи возникают шумовые колебания (шумы).
ТЕПЛОВОЙ ШУМ
Как известно, электрический ток в твердых проводниках – это направленное движение электронов. Однако, кроме направленного, электроны также совершают хаотическое тепловое движение. При этом в элементарном объеме проводника возникают случайные изменения плотности электрического заряда, а на концах любого проводника – хаотически изменяющаяся разность потенциалов – тепловой шум. Существование теплового шума предсказал А.Эйнштейн в 1906 г. Впервые наблюдал тепловой шум Дж. Джонсон в 1928 г. В 1928 г. Найквист описал свойства теплового шума и показал, что дисперсия напряжениятеплового шумаравна
, (8.3)
где: k – постоянная Больцмана, равная 1,38 * 10-23 Дж/град;
R – сопротивление цепи в омах;
– абсолютная температура сопротивления;
B – эффективная полоса частот, в которой измеряется тепловой шум.
Эта формула описывает тепловые шумы активных сопротивлений при любых температурах, за исключением сверхнизких. Из формулы Найквиста следует, что спектральная плотность теплового шума, т.е. мощность, приходящаяся на единичный интервал частоты, не зависит от частоты, как показано на рис…..
Рис8.2. Спектральная плотность теплового шума
Такой шум называется «белым» по аналогии с белым цветом, представляющим собой смесь различных цветов, т.е. электромагнитных колебаний с различными частотами. Из этого свойства теплового шума следует, что от него невозможно полностью избавиться; его можно лишь уменьшить, понизив температуру, уменьшив сопротивление источника, генерирующего тепловой шум, и сузив полосу пропускания регистрирующего сигнал устройства.
Реальное сопротивление R, являющееся источником теплового шума, можно представить в виде идеального нешумящего сопротивления, последовательно с которым включен генератор э.д.с. шума, определяемого по формуле Найквиста. Очевидно, что от схемы с источником э.д.с. можно перейти к схеме с эквивалентным источником шумового тока с дисперсией
|
|
|
, (8.4)
причем эквивалентный источник шумового тока должен быть включен параллельно идеальному нешумящему сопротивлению R.
аб в
Рис.8.3. Представление тепловых шумов резистора (а) на эквивалентных схемах в виде источника напряжения (б) и источника тока (в)
При последовательном включении реальных сопротивлений складываются не э.д.с. шума отдельных источников, а их квадраты. При параллельном же включении реальных сопротивлений складываются квадраты токов. Действительно, э.д.с. (токи) отдельных источников имеют случайные мгновенные значения, частоты и фазы, поэтому речь может идти лишь о сложении мощностей.
Тепловые шумы создаются только теми элементами электрических цепей, которые рассеивают энергию, т.е. обладают активным сопротивлением. Реактивные сопротивления – емкости и индуктивности не могут быть источниками теплового шума.
Тепловые шумы, генерируемые активными сопротивлениями, могут иметь величину, сравнимую с полезными сигналами, Например, резистор сопротивлением 10 кОм, находящийся при температуре 200С, является источником тепловых шумов в полосе частот 10 кГц с действующим напряжением 1,3 мкВ. Это напряжение сравнимо, например, с э.д.с., развиваемой воспроизводящей головкой кассетного магнитофона.
В некоторых случаях тепловой шум, генерируемый резистором, используется как испытательный сигнал для исследования шумовых свойств электронной аппаратуры.
ИЗБЫТОЧНЫЕ ШУМЫ
Напряжение теплового шума присутствует на концах элемента, обладающего активным сопротивлением всегда, даже если электрический ток через элемент не протекает. При протекании же электрического тока к тепловому шуму добавляются избыточные шумы, имеющие различную физическую природу и характеристики.
Дробовой шум .
Электрический ток представляет собой движение дискретных зарядов, а не плавное непрерывное течение. Конечность заряда приводит к статистическим флуктуациям тока, действующее значение которых определяется формулой
|
|
|
, (8.5)
где: q – заряд электрона;
I – ток, протекающий по проводнику;
B – эффективная полоса частот, в которой измеряется дробовой шум.
Так, ток величиной 1А имеет флуктуации со среднеквадратичным значением 57нА в полосе частот 10 кГц, что составляет 0,0000057% от силы тока. При токе 1 мкА эти флуктуации составляют уже 0,0057%, а при токе 1 пА – 5,7% от силы тока.
Название «дробовой» этот шум получил от того, что будучи усиленным и поданным на громкоговоритель, он похож на стук дробинок, высыпаемых на железный лист. Как и тепловой шум, это гауссов «белый» шум.
Фликкер – шум.
Фликкер-шум или шум мерцания, первоначально наблюдался в вакуумных радиолампах и имел причиной флуктуации количества электронов, излучаемых нагретым катодом лампы (катод как бы мерцал). Однако и в других элементах радиоэлектронной аппаратуры наблюдается шум с характеристиками, подобными шуму мерцания катода. Причиной такого шума являются непрерывные вероятностные изменения внутренней структуры проводника при протекании тока, приводящие к хаотическому изменению его сопротивления.
Спектральная плотность фликкер – шума зависит от частоты по закону 1/f и имеет не постоянную мощность в единичном интервале частоты, как тепловой или дробовой шум, а постоянную мощность в равных диапазонах, например, в декаде частоты. Так, например, мощности фликкер – шума равны в диапазонах частот 1 Гц – 10 Гц и 10 Гц – 100Гц.
Контактный шум.
Контактный шум вызывается флуктуациями проводимости контактов. Действующее значение тока контактного шума пропорционально величине тока, спектральные характеристики такие же, как у фликкер – шума.
Причиной импульсного шума являются производственные дефекты. Проявляется импульсный шум в виде скачков уровня напряжения случайной длительности в случайные моменты времени. Спектральная плотность импульсного шума зависит от частоты по закону 1/f2 в диапазоне частот 0,01 – 1000 Гц.
Если в радиоэлектронной цепи имеется несколько независимых источников шума, то суммарное действующее напряжение шума
, (8.6)
где Uk – действующее напряжение шума k -го источника.
|
|
|
