2017年10月5日 星期四

讓人腦子發燒的熱雜訊thermal noise kTB,用愛發電不如用電阻發電?

A: 你這PA ModuleTX Noise Power太高了,這樣會有desense的問題啦!

B: ......   輸入端黑黑的元件是什麼?

A: 電阻阿,兜衰減器用的。

B: 這樣不行啦,電阻會產生熱雜訊你知道嗎?謎底解開了,noise power變差的兇手就是他.....

A: 喔喔喔....原來如此...........

 

    經常都會聽到類似的對話,穀歌一下 thermal noise 熱雜訊前幾篇文章都會有類似下面的圖示,一個電阻放在一個溫度 T 的環境下,會產生"熱雜訊"



(Vn)^2=4kTBR


k: 波茲曼常數 (Boltzmann constant)
T: 絕對溫度 (Kelvin)
B: 訊號頻寬 (Bandwidth)
R: 電阻值 (Resistance)

    這個公式修過微波工程等相關課程的同學一定不陌生熱雜訊會跟T溫度,Bandwidth訊號頻寬與R電阻成正比,所以電路裡面有電阻會造成整個電路的雜訊指數變差…….
?

    當然上述的論點,是有些地方等一下要來討論,在這之前我們先回憶一下低雜訊放大器LNA (Low Noise Amplifier)與雜訊指數NF (Noise Figure),下面的是一個常見的LNA計算的示意圖。 增益Gain = 20dB, 雜訊指數NF =3dB, 這時候要計算它的雜訊輸出No (Noise Output),學過射頻RF或微波工程的一定都會知道

背景雜訊-174dBm這個魔術數字,但精准一點應該是-174dBm/Hz (/Hz = per Hz)

假設大家都知道,雜訊輸出No就可以很簡單的得出
No=-174dBm + 20dB (Gain) + 3dB (NF) = -151dBm.



    目前到這邊可能都沒有什麼太大的問題,但我們再回想一下-174dBm是怎麼得到,如果溫度T改變了這個值是多少? 手邊有微波工程(David M Pozar)可以翻一下,Noise Power的公式為:

 

kTB................kTB.................kTB.....................重要的事情要講三遍

 

裡面並沒有電阻R (Resistance) 在裡面,這公式告訴我們Noise Power只跟溫度T頻寬B有關,但電阻R? 怎麼不見了?

 

    其實這本身並不衝突,因為一開始熱雜訊thermal noise power上面是描述一個電阻R在溫度T底下,兩端會有熱雜訊電壓,電壓本身大小與R有關,但在通訊系統上面,描述一個系統的訊號品質或訊號幹不乾淨的指標為訊號Signal與雜訊比S/N ratio,是指訊號的S與雜訊功率N.....功率......功率.....的比值。

 

    下圖是為一個處在溫度T的電阻R的等校電路,產生熱雜訊電壓Vn,最後雜訊落在系統負載RL上面的功率是多少?

     這取決RL值得大小,而最大功率轉移max power transfer 公式告訴我們,當RL=R的時候會有最大的功率轉移,也就是這時候功率會是kTB (R消失了)

    這又回到RF電路計算的理論,如果一開始直接學射頻煉路預算RF link budget 會覺得覺得很順,就計算一下反射係數然後每一級的增益加加減減,但zoom in到電路的時候(變成電子學)又會吱吱嗚嗚......



    現在回過頭來看原本的問題加了衰減器到底會不會影響noise power,底下兩個case用來解釋全部有損耗的網路結構。

 

case 1: 兩個電阻串聯在一起

case 2: 兩個電阻並聯在一起

 

    這兩個case其實都可以利用大衛甯定理 Thevenin's theorem的技巧算出等校的Rth and Vth,但這邊有個小提醒,一般的大衛甯定理是在計算直流電壓電流,也就是訊號之間是correlated in-phase的概念可以直接相加減,但雜訊之間的訊號本身是uncorrelated獨立訊號源,所以在計算上要用Vn^2=Vn1^2+Vn2^2........來計算。



 

    結果可以預期熱雜訊thermal noise power與電阻R無關,與溫度T有關,其實這也很容易理解,如果一堆電阻並聯或串聯再一起雜訊可以一直相加變大,那...........手機就不用放鋰電池了,放一推電阻就好了啊

 

Noise Circle and Cascade NF calculation

這邊我們在看一個低雜訊放大器LNA常見的問題,串接的雜訊指數在計算的過程,如果遇到濾波器Filter插損IL3dB,那此濾波器的雜訊指數就是3dB,這是代表什麼意思?

 

在大部分的教科書中,串聯系統每個網路都是假設為共軛匹配conjugate matching的條件下所得到的結果,講白話就是的沒有反射訊號,以下圖一個插損為3dB的濾波器為例,在這個條件下網路的插損IL(insertion loss, S21)會直接把輸入訊號減3dB 也就是Si – 3dB, 但是輸入雜訊Ni -174dBm/Hz經過這個網路還是:

No=Ni=-174dBm/Hz

這個有點類似源頭有各-174dBm+-174dBm=-171dBm然後在衰減3dB,最後輸出還是-174dBm,其實這個原理跟上面電阻網路相加減是一樣的意思,最後Noise Power會與電阻無關,或雜訊水準不會變高。

但經過一個3dB衰減的Filter,最後S/N變差3dB並不是雜訊功率(noise power)墊高而是訊號S變差3dB



 

那我們在看一個case,如果匹配網路是個串聯電容,這個電容剛好是看進去S11=-3dB, S21=-3dB. 如果是一個無損的電容,在電容值剛好等於反射係數0.5也就是有一半功率反射的時候,這時候訊號與雜訊會同時被反射,在輸出端也會等量的少3dB

 

因為是訊號S與雜訊N一起減少3dB也就代表S/N並沒有改變,但增益Gain還是會變差3dB,如果你手邊有CAD軟體可以跑跑看,一個無損的網路在串聯系統是不會影響整體的NF,因為實際上訊號經過電容並沒有任何電阻性的衰減。








沒有留言:

張貼留言

熱門文章