Минимальный обнаруживаемый сигнал

Минимальный обнаруживаемый сигнал — это сигнал на входе системы, мощность которого позволяет его обнаружить на фоне электронного шума детекторной системы. Альтернативно его можно определить как сигнал, который создает отношение сигнал/шум заданного значения m на выходе . На практике m обычно выбирают больше единицы. название «чувствительность» . В некоторой литературе для обозначения этого понятия используется

Когда результирующий сигнал затем интерпретируется человеком-оператором, как в радиолокационных соответствующий термин «минимальный различимый сигнал» системах, может использоваться . Сюда входят дополнительные факторы, такие как помехи и время жизни сигнала на дисплее радара . В случае только что обнаруженного сигнала возникающее сообщение на дисплее радара может быть слишком маленьким или слишком мимолетным, чтобы его можно было распознать. В зависимости от того, какие эффекты рассматриваются, термин «минимальный видимый сигнал» может использоваться только для обозначения того, может ли сигнал быть виден на дисплее, игнорируя другие эффекты, такие как помехи.

Общий

В общем, ясно, что для того, чтобы приемник «увидел» сигнал, он должен быть больше минимального уровня шума. Однако для фактического обнаружения сигнала часто требуется, чтобы уровень мощности превышал минимальный уровень шума на величину, которая зависит от типа используемого обнаружения, а также от других факторов. Из этого требования есть исключения, но рассмотрение этих случаев выходит за рамки данной статьи. Эта необходимая разница в уровнях мощности сигнала и минимальном уровне шума известна как отношение сигнал/шум (SNR). Чтобы установить минимальный обнаруживаемый сигнал (MDS) приемника, нам необходимо знать несколько факторов.

• Требуемое соотношение сигнал/шум (SNR)
• Полоса обнаружения (BW)
• Температура Т ₀ приемной системы
• Коэффициент шума приемника (NF)

Чтобы рассчитать минимальный обнаруживаемый сигнал, нам сначала нужно определить минимальный уровень шума в приемнике по следующему уравнению:

${\begin{aligned}{\text{Noise floor}}_{\textrm {dBm}}&=10\ \log _{10}(kT_{0}\times \mathrm {BW} /1\,{\textrm {mW}})\ {\textrm {dBm}}+\mathrm {NF} \\&=10\ \log _{10}(kT_{0}{\frac {\textrm {Hz}}{\textrm {mW}}})\ {\textrm {dBm}}+\mathrm {NF} +10\ \log _{10}(\mathrm {BW} /1\,{\textrm {Hz}})\ {\textrm {dB}}\end{aligned}}$

Здесь k ≈ 1,38 × 10 ⁻²³  J / K — постоянная Больцмана , а kT ₀ — доступная плотность мощности шума (шум — это тепловой шум, шум Джонсона ).

В качестве численного примера: приемник имеет полосу пропускания 100 МГц коэффициент шума 1,5 дБ и физическую температуру системы 290 К. ,

${\begin{aligned}{\text{Noise floor}}_{\textrm {dBm}}&=10\ \log _{10}(1.38\times 10^{-23}\times 290\times 10^{3})\ {\textrm {dBm}}+1.5\ {\textrm {dB}}+10\ \log _{10}(100\times 10^{6})\ {\textrm {dB}}\\&=-174\ {\textrm {dBm}}+1.5\ {\textrm {dB}}+80\ {\textrm {dB}}\\&=-92.5\ {\textrm {dBm}}\end{aligned}}$

Таким образом, чтобы этот приемник хотя бы начал «видеть» сигнал, он должен быть больше –92,5 дБм . Может возникнуть путаница, поскольку рассчитанный выше уровень также иногда называют минимально различимым сигналом (MDS). Для ясности мы будем называть это собственным шумом приемника. Следующий шаг — принять во внимание отношение сигнал/шум, необходимое для используемого типа обнаружения. Если нам нужно, чтобы сигнал был в 10 раз мощнее минимального уровня шума, требуемое соотношение сигнал/шум будет составлять 10 дБ . Вычисление фактического минимального обнаруживаемого сигнала — это просто прибавление требуемого отношения сигнал/шум к минимальному уровню шума:

${\text{MDS}}_{\text{dBm}}={\text{Noise floor}}_{\textrm {dBm}}+{\text{SNR}}_{\textrm {dB}}$

Таким образом, для приведенного выше примера это будет означать, что минимальный обнаруживаемый сигнал равен ${\textstyle {\text{MDS}}_{\textrm {dBm}}=-92.5\,{\text{dBm}}+10\,{\text{dB}}=-82.5\,{\text{dBm}}}$.

Приведенное выше уравнение указывает несколько способов улучшения минимального обнаруживаемого сигнала приемника. Если предположить, что полоса пропускания и отношение сигнал/шум фиксированы приложением, то одним из способов улучшения MDS является снижение физической температуры приемника. Это снижает коэффициент шума приемника за счет уменьшения внутреннего теплового шума. Эти типы приемников называются криогенными приемниками .

Определения

Коэффициент шума и коэффициент шума

Коэффициент шума (NF) — это коэффициент шума ( F ), выраженный в децибелах. F — отношение входного отношения сигнал/шум (SNR _i ) к выходному отношению сигнал/шум (SNR _o ). F количественно определяет, насколько сигнал ухудшается по отношению к шуму из-за присутствия зашумленной сети. Бесшумный усилитель имеет коэффициент шума F = 1 , поэтому коэффициент шума для этого усилителя составляет NF = 0 дБ : бесшумный усилитель не ухудшает соотношение сигнал/шум, поскольку сигнал и шум распространяются по сети.

Если ширина полосы, в которой измеряется информационный сигнал, не превышает 1 Гц, то термин 10 log ₁₀ (полоса пропускания) учитывает дополнительную мощность шума, присутствующую в более широкой полосе обнаружения.

Отношение сигнал/шум

Отношение сигнал/шум (SNR) — это степень, в которой мощность входного сигнала превышает мощность шума в интересующей полосе пропускания B. В случае некоторых цифровых систем может потребоваться разница в 10 дБ между минимальным уровнем шума и уровнем сигнала; это отношение сигнал/шум в 10 дБ позволяет коэффициенту ошибок по битам (BER) быть лучше, чем определенное значение (например, 10 ⁻⁵ для некоторых схем QPSK). Для голосовых сигналов требуемое соотношение сигнал/шум может составлять всего 6 дБ, а для CW ( код Морзе ) оно может быть увеличено при обученном слушателе до разницы в 1 дБ ( тангенциальная чувствительность ). Пригодность к использованию в этом контексте означает, что она передает адекватную информацию для декодирования человеком или машиной с приемлемыми и определенными уровнями ошибок.