انواع نویز در گیرنده

• نویز حرارتی و محاسبه عدد نویز

 نویز در مدارات الکترونیکی حاصل فرایندهای تصادفی ناشی از ارتعاش اتم ها در دمای بالای صفر کلوین و جریان الکترون ها  و سایر فرایندها می باشد. نویز در یک سیستم الکترونیکی می تواند توسط منبع خارجی وارد شده یا توسط خود سیستم تولید گردد. میزان سطح نویز در یک سیستم می تواند سطح حداقل سیگنال قابل شناسایی را تعیین می کند. به همین دلیل هدف در سیستم های مایکروویو حداقل کردن سطح نویز می باشد.
نویز حرارتی غالب ترین نویز در سیستم های مایکروویو می باشد. میزان توان نویز حرارتی  در ورودی گیرنده از رابطه زیر بدست می­آید. در این رابطه k ثابت بولتزمن، T دمای گیرنده و B  پهنای باند لحظه ای گیرنده می باشد. توان نویز حرارتی در دمای 290 درجه کلوین طبق رابطه معادل   -174 dBm/Hz  یا -114 dBm/MHz می باشد.
میزان حساسیت گیرنده مطابق با پهنای باند لحظه ای و کف نویز گیرنده تعیین می گردد. به دلیل اینکه همه المان های داخل گیرنده نویز حرارتی تولید می کنند و بخاطر ماهیت نویز به طور معمول نویز گیرنده بیشتر از کف نویز می باشد. به طور کلی میزان نسبت سیگنال به نویز ورودی یک سیستم به سیگنال به نویز خروجی آن را عدد نویز آن سیستم تعریف می شود. به زبان ساده تر این عدد معرف میزان نویز اضافه شده به سیگنال ورودی توسط گیرنده می باشد.
NF از نظر میزان نویزی که یک سیستم به نویز زمینه سیگنال، اضافه می کند مهم می باشد. همچنین گین و عدد نویز طبقه اول در گیرنده از همه مهمتر می باشند.  NFاز لحاظ محاسباتی برابر  10logF  می باشد که  ،F عدد نویز سیستم می باشد. عدد نویز بصورت نسبت سیگنال به نویز ورودی گیرنده به سیگنال به نویز خروجی تعریف و بر حسب  dBبیان می شود.
گین یا بهره  یک سیستم نسبت سیگنال خروجی  به سیگنال ورودی آن سیستم می باشد. لذا بهره به زبان ساده همان میزان افزایس سطح سیگنال می باشد.

در رابطه فوق   F فاکتور نویز است که بیانگر رابطه ی خطی عدد نویز است. بلوک های ابتدایی (نزدیک به آنتن) گیرنده تاثیر بیشتری در عدد نویز گیرنده دارند. برای محاسبه عدد نویز کل گیرنده، نمی توان عدد نویز بلوک های آن را با هم جمع کرد، زیرا بهره بلوک ها نیز موثر است. بلکه باید ابتدا فاکتور نویز معادل گیرنده را محاسبه کنیم و از روی آن عدد نویز را به دست آوریم.
فاکتور نویز معادل گیرنده، از مجموع سه پارامتر به دست می آید که روابط و توضیحات آن در آمده است. برای  nطبقه که به صورت متوالی و پشت سر هم متصل شده اند، فاکتور نویز کلی ناشی از بهره و عدد نویز طبقات از رابطه­ ی زیر به دست می آید.

در رابطه­ی فوق   F𝑖 ،و  Giبه ترتیب فاکتور نویز و بهره ی طبقه iام است، که هر دو پارامتر در مقدار خطی هستند. بهره و عدد نویز همه طبقات قبل از آشکارساز باید معلوم باشند عدد نویز عناصر پسیو، برابر تلف آن ها بر حسب  dBدر نظر گرفته می شود، یعنی فاکتور نویز آن ها برابر معکوس بهره ی آن هاست. این بدان دلیل است که نویز حرارتی هم در ورودی و هم در خروجی این عناصز حاضر است، و فاکتور نویز این عناصر را می توان به صورت رابطه ی زیر نوشت:

اگر دمای المان پسیو بیشتر از دمای بقیه المان های زنجیره باشد، فاکتور نویز آن باید اصلاح شود. فاکتور نویز المان پسیو در هر دمایی به صورت رابطه زیر خواهد بود:

که L تلف عنصر، T دمای فیزیکی المان(برحسب کلوین)، T0 دمای اتاق است که 290 درجه کلوین تعریف می شود.

• نویز فاز

در هر سیستم گیرنده، نویز به سیگنال های  RFافزوده می­شود. از آنجا که این نویز افزودنی یا جمع شونده است، می توان آسیب ناشی از آن را با افزایش توان سیگنال مطلوب، کاهش داد. اما نوع دیگری از نویز وجود دارد که نمی توان اثر مخرب آن را با افزایش توان سیگنال، کاهش داد. این نویز جمع شونده نیست بلکه طی روند مدولاسیون ناخواسته، بر سیگنال تاثیر می­گذارد و بیشتر تاثیر آن روی فاز است نه دامنه .به این نویز، نویز فاز می­گویند. در واقع نویز فاز، مدولاسیون فاز ناخواسته سیگنال است.

نوسان سازها مانند سایر مدارات به نویز حساس­اند. نویز می­تواند روی فرکانس و دامنه آن­ها اثر بگذارد. این اثر می تواند بصورت تغییرات تصادفی دوره تناوب یا انحراف نقاط عبور از صفر شکل موج در امتداد محور زمان باشد. برای یک سینوس معمولی می توان نوشت:

که  فاز اضافی کوچک و تصادفی است که تغییرات دوره تناوب را نشان می دهد و نویز فاز نامیده می شود.

در کاربردهای،RF نویز فاز را در حوزه فرکانس می­سنجند. برای نوسان ساز سینوسی ایده آل که در𝜔𝑐  کار می کند، طیف فرکانسی شبیه یک ضربه است، در حالی که در نوسان ساز واقعی، طیف اطراف فرکانس حامل، دامنه دار است. به این دامنه، نویز فاز نوسان ساز محلی می گویند .

در یک گیرنده، اگر خروجی  LOشامل نویز فاز باشد، سیگنالی که در اثر میکس شدن به فرکانس بالا یا پایین منتقل شده، خراب می شود. این موضوع در شکل  زیر نشان داده شده است.

با مراجعه به حالت ایده آل در شکل الف فوق مشاهده می­شود سیگنال مورد نظر با یک ضربه تلفیق شده و به فرکانس پایین تر منتقل می­شود بدون آنکه شکل آن تغییر کند. ولی در عمل ممکن است در کنار سیگنال، تداخل کننده­های بزرگی در کانال مجاور باشد و نوسان ساز محلی هم نویز فاز اندکی داشته باشد (شکل ب) . وقتی سیگنال موردنظر و سیگنال کانال مجاور با  LOمیکس شوند، خروجی میکسر شامل دو طیف با همپوشانی است و با فیلتر  IFقابل حذف نمی باشد .بدین ترتیب سیگنال مورد نظر به دلیل وجود سیگنال تداخل، خراب می شود. این اثر را مخلوط شدن دوطرفه گویند. تاثیر مخلوط شدن دوطرفه بر عدد نویز گیرنده در شکل زیر آمده است.

برای محاسبه نویز فاز، پهنای باند واحدی به فاصله  ∆ωرا نسبت به 𝑐𝜔 در نظر می گیریم، توان

نویز در این محدوده را به دست آورده و بر توان متوسط تقسیم می کنیم

SBN : برای محاسبه نویز فاز، پهنای باند واحدی به فاصله  ∆ωرا نسبت به 𝜔c در نظر می­گیریم، توان نویز در این محدوده را به دست آورده و بر توان متوسط تقسیم می­کنیم.

حال به عنوان مثال در صورتی که توان حامل برابر با  -2dBm باشد و توان نویز اندازه گیری شده در گستره  1KHz به فاصله  1MHz از  حامل برابر با  -70dBm باشد، آنگاه نویز فاز بصورت عبارت  -70dBm + 2dBm – 30dBm = -98 dBc/Hz به دست می آید. برای محاسبه  SBNداریم :

در رابطه­ی فوق   𝐿 [𝑑𝐵𝑐⁄𝐻𝑧] ، نویز فاز سینتی سایزر در فرکانس  ( ± )و 𝐵𝑊[Hz] پهنای کانال سیستم است. لذا می­توان رابطه ی  محاسبه ی انتخابگری سیستم را به صورت زیر بیان کرد :

در رابطه­ ی فوق  SBN ،در واقع همان  Lمی باشد که بدین صورت بیان می شود. همچنین توجه شود  CR ای که در این رابطه قرار داده می شود، عددی مثبت است.