Глава 1. ЕСТЕСТВЕННЫЕ РАДИОПОМЕХИ

1.1. РАДИОПОМЕХИ, СОЗДАВАЕМЫЕ АКТИВНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ

1. Внутренние шумы радиоприемника

Внутренние шумы радиоприемника обусловлены флуктуациями напряжений и токов в усилительных приборах (лампах и транзисторах), а также электрическими флуктуациями в резисторах и активных составляющих комплексных сопротивлений. Основное значение имеет шум, действующий во входных каскадах радиоприемника, поскольку он подвергается наибольшему усилению.

Известно, что любое активное сопротивление (так же, как и активная составляющая комплексного сопротивления) является источником широкополосного нормального шума [38, 94, 114]. Дисперсия напряжения этого шума в эквивалентной (энергетической) полосе равна

Здесь постоянная Больцмана, абсолютная температура, К.

Активное сопротивление как источник шума может быть представлено эквивалентным генератором напряжения с внутренним (нешумящим) сопротивлением (рис. 1.1, а) или генератором тока с внутренней проводимостью (рис. 1.1, б); причем дисперсия этого напряжения вы-

Рис. 1.1.

ражается формулой (1.1.1), а дисперсия тока составляет

Активное сопротивление как источник шума можно характеризовать номинальной (или располагаемой) мощностью

Часто вместо и удобно рассматривать спектральные плотности шумовых напряжений и токов, равные

Спектральные плотности постоянны в очень широком диапазоне частот, начиная с самых низких до частот порядка Гц. На более высоких частотах является функцией частоты и определяется следующей формулой:

Здесь с — постоянная Планка. Аналогичное выражение для записывается путем замены на

Приемник как усилительное устройство в отношении внутренних шумов характеризуется коэффициентом шума (шум-фактором).

Коэффициентом шума называют отношение

отношения располагаемых (номинальных) мощностей сигнала и шума на входе и выходе приемника, согласованного с источником сигнала и шума. Здесь и далее в этом параграфе под радиоприемником понимается его линейная часть (от входа до детектора).

Если бы приемник был нешумящим, то отношения сигнал/шум на выходе и входе были одинаковыми и Превышение над 1, т. е. величина называемая избыточным коэффициентом шума, дает представление о

мощности шума, добавляемой самим приемником. Обозначим коэффициент усиления приемника по мощности

Тогда (1.1.7) можно записать в виде

Это отношение может служить другим определением коэффициента шума. Так как приемник — устройство линейное, выходную мощность можно разбить на две составляющие: одну обусловленную усиленным шумом источника, и другую Ршва, обусловленную внутренними (собственными) шумами. Тогда

Из этого соотношения ясно, что коэффициент шума однозначно характеризует внутренний шум приемника, если только «стандартизовать» величину В качестве такого источника шума может выступать активное сопротивление при температуре Тогда

где располагаемая мощность шума сопротивления величина которого не влияет на Энергетическая полоса приемника

Здесь амплитудно-частотная характеристика приемника, а коэффициент усиления приемника на номинальной промежуточной частоте Подставив значение в формулу (1.1.10), получим

Отсюда

Внутренний шум можно отнести не только к выходу, но и ко входу приемника. Тогда вместо (1.1.13) будем иметь

Рис. 1.2.

Коэффициент шума приемника может быть выражен через коэффициенты шума отдельных каскадов по формуле [85]:

Здесь коэффициенты шума и коэффициенты усиления по мощности соответственно первого, второго и т. д. каскадов (при написании этой формулы полагается, что частотная характеристика каждого каскада близка к прямоугольной, хотя формула может быть обобщена и для характеристик других видов).

Шумы, свойственные электронной лампе как электронкому прибору, образуются дробовым шумом, шумом распределения, наведенным шумом и шумом мерцания [85, 94, 181].

Дробовой шум обусловлен дискретной природой электрического тока: число электронов, поступающих в единицу времени на анод, непостоянно и быстро флуктуирует относительно среднего значения.

Шум тока распределения имеется в многосеточных радиолампах и является следствием случайного распределения электронов между электродами (главным образом анодом и экранной сеткой) лампы. Оба названных шума — широкополосные и нормальные. Они могут быть характеризованы случайной э. д. с. и др. (рис. 1.2), которую можно приписать некоторому эквивалентному сопротивлению находящемуся при заранее обусловленной (стандартной) температуре Дисперсия этого шума

Величина шумового сопротивления др зависит от типа и параметров лампы. Для триода где крутизна анодного тока, а для пентодов [94)

здесь постоянные составляющие анодного и экранного токов лампы.

Наведенный шумовой ток также является широкополосным, он наводится электронами на участке сетка — катод лампы; его величина зависит от сопротивления в цепи сетки. Этот шум удобно характеризовать генератором тока (рис. 1.2) с дисперсией

где проводимость участка сетка — катод, определяемая при такой температуре которая обусловливает дисперсию шума, равную имеющейся в действительности.

Шум входного контура учитывается генератором тока (рис. 1.2) с проводимостью и температурой Тк, при которой находится контур (здесь резонансное сопротивление контура), причем дисперсия шумового тока от обоих генераторов

Генераторы токов можно заменить одним генератором шумового тока с проводимостью (рис. 1.3), а для дисперсии напряжения из (1.1.18) записать

Дисперсия напряжения между сеткой и катодом лампы равна

Напряжение в дальнейшем усиливается, что приводит к появлению шума на выходе радиоприемника.

Сеточная цепь лампы соединена с антенной, которая является источником сигнала и шума. Поэтому схему широкополосного шума необходимо дополнить источником тока

характеризующим шумовые свойства антенны, с «не-шумящей» проводимостью Дисперсия а тока а составляет

В результате схема на рис. 1.3 преобразуется к виду рис. 1.4.

Шумы мерцания ламп убывают обратно пропорционально частоте, и их величина имеет значение лишь для низких частот порядка 10—100 Гц. Эти шумы необходимо учитывать только в некоторых специальных случаях радиоприема.

Шумы полупроводниковых приборов аналогичны шумам ламп 1181].

Источником низкочастотных шумов (в области частот ниже 500—20 000 Гц) являются процессы на поверхности полупроводника. Интенсивность этих шумов убывает пропорционально и зависит от конструкции и технологии производства полупроводникового прибора.

Широкополосные флуктуационные шумы возникают вследствие дробового эффекта и из-за наличия активных сопротивлений в цепях эмиттера, базы и коллектора, причем наибольшее значение имеют шумы сопротивления базы.

Общая упрощенная шумовая -образная схема транзистора приведена на рис. 1.5 [19,181]. Здесь генератор с дисперсией характеризует шумы сопротивления базы. Два других генератора шума обусловлены дробовым характером инжекции носителей через эмиттерный и коллекторный переходы.

Возникающие на эмиттерном переходе шумы обусловлены дробовым характером инжекции носителей через эмиттерный переход. Дисперсия этого шумового тока где постоянная составляющая тока; заряд электрона. Так как проводимость эмиттерной цепи), то рассматриваемые шумы можно

Рис. 1.3.

Рис. 1.4

Рис. 1.5.

учесть также генератором задающего напряжения а с дисперсией

В коллекторном переходе действуют два статистически независимых источника шума. Это шумы, приходящие из эмиттерной цепи, и шумы токораспределения. Первые коррелированы с шумовым током эмиттера и учтены генератором шума в эмиттерной цепи (рис. 1.5). Шумы токораспределения характеризуются генератором задающего шумового тока с дисперсией где коэффициент передачи тока от эмиттера к коллектору.

Эквивалентные шумовые схемы лампы и транзистора (если каскад является входным, то дополнительно необходимо учесть шумы антенны) позволяют вычислять коэффициенты шума каскадов в выбранных вариантах включения усилительных приборов [181, 1501.