ทำความเข้าใจเกี่ยวกับสัญญาณรบกวน: การเพิ่มพลังงาน ส่วนประกอบที่สูญเสีย และระบบแบบเรียงซ้อน

ในขอบเขตของวิศวกรรมความถี่วิทยุ (RF) และไมโครเวฟรูปสัญญาณรบกวน (NF)เป็นพารามิเตอร์สำคัญที่ใช้วัดปริมาณการลดคุณภาพของสัญญาณที่เกิดจากสัญญาณรบกวนภายในระบบ บทความนี้จะสำรวจการมีส่วนร่วมของการเพิ่มพลังงาน ส่วนประกอบที่สูญเสีย และระบบแบบเรียงซ้อนในการพิจารณาประสิทธิภาพเสียงโดยรวมของระบบอิเล็กทรอนิกส์

♦1. Noise Figure คืออะไร?
**รูปสัญญาณรบกวน** (NF) จะวัดว่าอุปกรณ์ (เช่น เครื่องขยายเสียง มิกเซอร์ หรือเครื่องรับ) ลดระดับ **สัญญาณ-ต่อ-อัตราส่วนสัญญาณรบกวน (SNR)** ของสัญญาณที่ส่งผ่านอุปกรณ์นั้นมากน้อยเพียงใด มันถูกกำหนดเป็น:

NF ที่ต่ำกว่าหมายถึงสัญญาณรบกวนที่เพิ่มขึ้นน้อยลง ซึ่งมีความสำคัญสำหรับการใช้งานที่มีความละเอียดอ่อน เช่น การสื่อสารผ่านดาวเทียม เรดาร์ และเครื่องรับไร้สาย

♦2. การเพิ่มพลังงานและผลกระทบต่อเสียงรบกวน
กำลังรับ (G)คืออัตราส่วนของกำลังไฟฟ้าเอาท์พุตต่อกำลังไฟฟ้าเข้า แม้ว่าอัตราขยายสูงจะขยายสัญญาณที่ต้องการ แต่ยังขยายทั้งสัญญาณรบกวนอินพุตและสัญญาณรบกวนภายในของอุปกรณ์ด้วย สำหรับเครื่องขยายเสียงที่มีอัตราขยาย \\(G\\) และรูปสัญญาณรบกวน \\(\\text{NF}\\) กำลังไฟฟ้าสัญญาณรบกวนเอาต์พุตทั้งหมด \\(N_{\\text{out}}\\) สามารถแสดงเป็น:
 
ที่ไหน:
- k: ค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์
- T: อุณหภูมิเป็นเคลวิน
- B: แบนด์วิธ
- F: ปัจจัยทางเสียง (NF=10 บันทึก{10}(F))

♦3. ส่วนประกอบที่สูญเสียและการเสื่อมสภาพของสัญญาณรบกวน
ส่วนประกอบที่สูญเสีย(เช่น สายเคเบิล ตัวกรอง ตัวลดทอนสัญญาณ) แนะนำการสูญเสียการแทรก (L)ซึ่งจะลดประสิทธิภาพของเสียงรบกวนโดยตรง สำหรับส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่มีการสูญเสีย L (โดยที่ L > 1) ค่าสัญญาณรบกวนจะเท่ากับการสูญเสีย:
 
ตัวอย่างเช่น ตัวลดทอน 3 dB (L=2) มี NF อยู่ที่ 3 dB สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากส่วนประกอบลดทอนสัญญาณและเสียงอย่างเท่าเทียมกัน แต่เพิ่มสัญญาณรบกวนจากความร้อนตามสัดส่วนของอุณหภูมิทางกายภาพ

ความหมายเชิงปฏิบัติ: วางเครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ- (LNA) ก่อนส่วนประกอบที่สูญเสียในสายสัญญาณเพื่อลดผลกระทบของสัญญาณรบกวน

♦4. ระบบเรียงซ้อนและสูตรของ Friis

ในระบบหลาย- ค่าสัญญาณรบกวนทั้งหมดขึ้นอยู่กับค่าเกนและสัญญาณรบกวนของแต่ละขั้นตอนสูตรของฟริสคำนวณตัวเลขเสียงรบกวนโดยรวม (\\(F_{\\text{total}}\\)) สำหรับ \\(n\\) สเตจแบบเรียงซ้อน:
 

♦5. แอปพลิเคชันระดับโลก-จริง
1. การออกแบบตัวรับสัญญาณ: ในระบบไร้สาย NF ของ LNA ตัวแรกจะควบคุมความไวของเครื่องรับ การปรับปรุง NF 1 dB สามารถเพิ่มช่วงได้ ~ 10%
2. การสื่อสารผ่านดาวเทียม: เครื่องขยายสัญญาณ NF- ต่ำมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการกู้คืนสัญญาณที่อ่อนแอในลิงก์ระดับลึก-
3. เครือข่าย 5G: ระบบ MIMO ขนาดใหญ่ต้องการ-ส่วนหน้า NF ต่ำ-เป็นพิเศษเพื่อจัดการกับสัญญาณรบกวนสูงและการสูญเสียเส้นทาง

♦6. การลดเสียงรบกวนในทางปฏิบัติ
- ใช้ LNA ที่มี NF ต่ำ (<1 dB for mmWave systems).
- ลดการสูญเสียให้เหลือน้อยที่สุดก่อนการขยายสัญญาณ (เช่น ย่อสายโคแอกเชียล)
- การจัดการความร้อนส่วนประกอบที่เย็นลงเพื่อลดเสียงรบกวนจากความร้อน (\\(kTB\\))
- สถาปัตยกรรมขั้นสูงใช้วงจรตัดเสียงรบกวน-หรือการทำความเย็นด้วยความเย็นเยือกแข็งเพื่อการใช้งานที่มีเสียงรบกวนต่ำมาก-

บทสรุป
ตัวเลขสัญญาณรบกวนเป็นรากฐานสำคัญของการออกแบบระบบ RF การสร้างสมดุลของพลังงานที่ได้รับ การสูญเสียส่วนประกอบ และการโต้ตอบแบบเรียงซ้อน ด้วยการวางตำแหน่ง- LNA ที่ได้รับสูงอย่างมีกลยุทธ์ และลดการสูญเสีย- ในระยะเริ่มต้นให้เหลือน้อยที่สุด วิศวกรจึงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพ SNR และปลดล็อกประสิทธิภาพในเทคโนโลยีที่ล้ำสมัย- เช่น 6G, การตรวจจับควอนตัม และ IoT