Figura de ruido - Noise figure

La figura de ruido (NF) y el factor de ruido ( F ) son medidas de degradación de la relación señal / ruido (SNR), causada por componentes en una cadena de señal . Es un número mediante el cual se puede especificar el rendimiento de un amplificador o un receptor de radio, con valores más bajos que indican un mejor rendimiento.

El factor de ruido se define como la relación entre la potencia de ruido de salida de un dispositivo y la parte del mismo atribuible al ruido térmico en la terminación de entrada a una temperatura de ruido estándar T ₀ (normalmente 290  K ). Por tanto, el factor de ruido es la relación entre el ruido de salida real y el que permanecería si el dispositivo en sí no introdujera ruido, o la relación entre la SNR de entrada y la SNR de salida.

La figura de ruido es simplemente el factor de ruido expresado en decibelios (dB).

General

El factor de ruido es la diferencia en decibelios (dB) entre la salida de ruido del receptor real y la salida de ruido de un receptor "ideal" con la misma ganancia general y ancho de banda cuando los receptores están conectados a fuentes emparejadas a la temperatura de ruido estándar T ₀ (normalmente 290 K). La potencia de ruido de una carga simple es igual a kTB , donde k es la constante de Boltzmann , T es la temperatura absoluta de la carga (por ejemplo, una resistencia ) y B es el ancho de banda de medición.

Esto hace que la figura de ruido sea una figura de mérito útil para los sistemas terrestres, donde la temperatura efectiva de la antena suele estar cerca de los 290 K estándar.En este caso, un receptor con una figura de ruido, digamos 2 dB mejor que otro, tendrá una señal de salida. a una relación de ruido que es aproximadamente 2 dB mejor que la otra. Sin embargo, en el caso de los sistemas de comunicaciones por satélite, donde la antena del receptor apunta hacia un espacio frío, la temperatura efectiva de la antena suele ser más fría que 290 K. En estos casos, una mejora de 2 dB en la figura de ruido del receptor resultará en más de 2 dB. Mejora de dB en la relación señal / ruido de salida. Por esta razón, la cifra correspondiente de la temperatura de ruido efectiva se utiliza a menudo en lugar del factor de ruido para caracterizar los receptores de comunicaciones por satélite y los amplificadores de bajo ruido .

En sistemas heterodinos , la potencia de ruido de salida incluye contribuciones espúreas de la transformación de frecuencia de imagen , pero la porción atribuible al ruido térmico en la terminación de entrada a temperatura de ruido estándar incluye solo lo que aparece en la salida a través de la transformación de frecuencia principal del sistema y excluye que que aparece a través de la transformación de frecuencia de la imagen .

Definición

El factor de ruido F de un sistema se define como

donde SNR _i y SNR _o son las relaciones señal / ruido de entrada y salida , respectivamente. Las cantidades de SNR son relaciones de potencia. El factor de ruido NF se define como el factor de ruido en dB:

donde SNR _{i, dB} y SNR _{o, dB} están en decibelios (dB). Estas fórmulas solo son válidas cuando la terminación de entrada está a la temperatura de ruido estándar T ₀ = 290 K , aunque en la práctica pequeñas diferencias de temperatura no afectan significativamente los valores.

El factor de ruido de un dispositivo está relacionado con su temperatura de ruido T _e :

${\ Displaystyle F = 1 + {\ frac {T _ {\ text {e}}} {T_ {0}}}.}$

Los atenuadores tienen un factor de ruido F igual a su relación de atenuación L cuando su temperatura física es igual a T ₀ . De manera más general, para un atenuador a una temperatura física T , la temperatura de ruido es T _e = ( L - 1) T , lo que da un factor de ruido

${\ Displaystyle F = 1 + {\ frac {(L-1) T} {T_ {0}}}.}$

Factor de ruido de dispositivos en cascada

Si varios dispositivos están conectados en cascada, el factor de ruido total se puede encontrar con la fórmula de Friis :

${\ Displaystyle F = F_ {1} + {\ frac {F_ {2} -1} {G_ {1}}} + {\ frac {F_ {3} -1} {G_ {1} G_ {2}} } + {\ frac {F_ {4} -1} {G_ {1} G_ {2} G_ {3}}} + \ cdots + {\ frac {F_ {n} -1} {G_ {1} G_ { 2} G_ {3} \ cdots G_ {n-1}}},}$

donde F _n es el factor de ruido para el n -ésimo dispositivo, y G _n es la ganancia de potencia (lineal, no en dB) del n -ésimo dispositivo. El primer amplificador de una cadena suele tener el efecto más significativo sobre el factor de ruido total porque los valores de ruido de las siguientes etapas se reducen con las ganancias de etapa. En consecuencia, el primer amplificador suele tener un factor de ruido bajo y los requisitos de factor de ruido de las etapas posteriores suelen ser más relajados.

Factor de ruido en función del ruido adicional

La fuente emite una señal de potencia y un ruido de potencia . Tanto la señal como el ruido se amplifican. Sin embargo, además del ruido amplificado de la fuente, el amplificador agrega ruido adicional a su salida indicada . Por lo tanto, la SNR en la salida del amplificador es menor que en su entrada. ${\ Displaystyle S_ {i}}$${\ Displaystyle N_ {i}}$${\ Displaystyle N_ {a}}$

El factor de ruido puede expresarse en función de la potencia de ruido referida de salida adicional y la ganancia de potencia de un amplificador. ${\ Displaystyle N_ {a}}$${\ Displaystyle G}$

Derivación

De la definición de factor de ruido

${\ Displaystyle F = {\ frac {\ mathrm {SNR} _ {\ text {i}}} {\ mathrm {SNR} _ {\ text {o}}}} = {\ frac {\ frac {S_ {i }} {N_ {i}}} {\ frac {S_ {o}} {N_ {o}}}},}$

y suponiendo un sistema que tiene un amplificador de una sola etapa ruidoso. La relación señal / ruido de este amplificador incluiría su propio ruido referido de salida , la señal amplificada y el ruido de entrada amplificado , ${\ Displaystyle N_ {a}}$${\ Displaystyle S_ {i} G}$${\ Displaystyle N_ {i} G}$

${\ Displaystyle {\ frac {S_ {o}} {N_ {o}}} = {\ frac {S_ {i} G} {N_ {a} + N_ {i} G}}}$

Sustituyendo la SNR de salida por la definición del factor de ruido,

${\ Displaystyle F = {\ frac {\ frac {S_ {i}} {N_ {i}}} {\ frac {S_ {i} G} {N_ {a} + N_ {i} G}}} = { \ frac {N_ {a} + N_ {i} G} {N_ {i} G}} = 1 + {\ frac {N_ {a}} {N_ {i} G}}}$

En sistemas en cascada no se refiere al ruido de salida del componente anterior. Aún se asume una terminación de entrada a la temperatura de ruido estándar para el componente individual. Esto significa que la potencia de ruido adicional agregada por cada componente es independiente de los demás componentes. ${\ Displaystyle N_ {i}}$

Ver también

• Ruido
• Ruido (electrónico)
• Medidor de figura de ruido
• Nivel de ruido
• Ruido térmico
• Relación señal-ruido
• Factor Y

Referencias

• Keysight, Fundamentos de mediciones de figuras de ruido de microondas y RF (PDF) , Nota de aplicación, 57-1, publicado el 1 de septiembre de 2019.

enlaces externos

• Calculadora de cifras de ruido en cascada de 2 a 30 etapas
• Tutorial y conceptos básicos de la figura de ruido y el método del factor Y
• Figura de ruido del teléfono móvil

 Este artículo incorpora  material de dominio público del documento de la Administración de Servicios Generales : "Estándar Federal 1037C" . (en apoyo de MIL-STD-188 )