Вопрос 2. Собственные шумы в каналах и трактах АСП

Воздействие помех сказывается на работе всех видов МСП — и цифровых и аналоговых. Од­нако последние, как будет показано ниже, гораздо «чувствительнее» к дей­ствию помех по крайней мере по двум причинам. Во-первых, в силу аналогово­го характера сигнала невозможно решить на приемной стороне, является ли принятая реализация сигнала обусловленной совместным действием источника сигнала и помехи или действием только источника сигнала. Во-вторых, в анало­говых системах действует принцип накопления помех, при котором любая по­меха, образованная в любой точке тракта передачи и совпадающая по спектру с полезным сигналом, обязательно пройдет на выход тракта, где сложится с другими источниками помех.

Собственные шумы включают в себя тепловые шумы в резисторах (возни­кают благодаря беспорядочному движению свободных электронов) и флуктуационные шумы, возникающие в усилительных элементах.

Движение электро­нов в теле резистора вызывает хаотическое протекание тока, электрическая энергия которого преобразуется в тепловую, что приводит к нагреванию резис­тора. В свою очередь тепловая энергия из окружающей среды вызывает изменение электрического тока в резисторе. В состоянии термодинамического равно­весия, как показывают расчеты, действующее значение электродвижущей силы , возникающей на зажимах резистора, равно

,

где – постоянная Больцмана =1, 38 Дж/(Гц∙ град);

– полоса час­тот, в пределах которых определяется шум, Гц;

Т – абсолютная температура (по Кельвину).

Исходя из этого любое шумящее сопротивление можно представить в виде соединения идеального нешумящего сопротивления и шумового генератора то­ка или напряжения (рисунок 1).

Рисунок 1 – Возможные схемы замещения резистора

К шумящим усилительным элементам относятся также электронные лампы и транзисторы. Шумы в электронной лампе проявляются как случайные изме­нения (флуктуации) анодного тока. В триодах основной причиной флуктуации анодного тока является эффект неравномерного испускания электронов като­дом лампы (дробовой эффект).

Шумы в биполярных транзисторах (БТ) обусловлены дробовым эффектом (флуктуации эмиттерного тока) и шумом токораспределения (распределение тока эмиттера на базовый и коллекторный). Источником шума в транзисторах является также сопротивление базы.

Для анализа линейных шумящих цепей в общем случае необходимо выпол­нить следующие операции.

1. Реальный шумящий элемент цепи заменяют нешумящим, соединенным с эквивалентным шумовым генератором (рисунок 1).

2. Принимая во внимание, что цепь линейна, а шумовые генераторы явля­ются источниками малого сигнала, полагают, что анализ подчинен законам те­ории линейных электрических цепей. При этом все шумовые генераторы пере­считывают в заданное место цепи. Учитывая взаимную зависимость или независимость шумов, осуществляют сложение всех шумов в этом сече­нии и находят суммарный шумовой ток (напряжение). В это же место пересчи­тывают и полезный сигнал.

3. На основе расчета шума и полезного сигнала в нужном сечении подбира­ют оптимальную структуру цепи таким образом, чтобы обеспечить максималь­ное отношение сигнал/шум.

Для расчета и подбора оптимальной цепи прохождения сигнала приходит­ся по многу раз (особенно для сложных схем) пересчитывать источники шума и полезного сигнала в нужное сечение. Поэтому общий метод анализа шумя­щих цепей чаще применяется для сравнительно простых электрических схем. Для оценки шумов сложных многокаскадных устройств целесообразно ввести обобщенную оценку шумов, которую называют коэффициентом шума.