Nederlands
Menu

Wat is Ruisgetal (NF)?

Een maat voor hoeveel een schakeling zoals een versterker of ontvanger de signaal-ruisverhouding (S/N) door haar eigen ruis verslechtert. De S/N aan de ingang gedeeld door de S/N aan de uitgang (de ruisfactor), uitgedrukt in dB, heet het ruisgetal (NF). Het wordt gedefinieerd met thermische ruis bij 290 K als referentie. De waarde voor in cascade geschakelde trappen volgt uit de formule van Friis en wordt vooral bepaald door het ruisgetal en de versterking van de eerste trap.

Japanse benaming: 雑音指数(NF)

“Ruisgetal (NF)” komt voor in 3 oefenvragen uit 1 onderwerpen, bijv. Basis van draadloze communicatie.

Vakgebied: Basis van draadloze communicatie

Definitie en ruistemperatuur

De ruisfactor F is de S/N aan de ingang gedeeld door de S/N aan de uitgang, gedefinieerd met thermische ruis bij 290 K als ingangsruis. Een ideale ruisvrije schakeling heeft F = 1 (0 dB), en NF = 10·log₁₀ F. Dezelfde prestatie kan ook worden uitgedrukt als de naar de ingang herleide ruis van de schakeling in de vorm van een temperatuur; de equivalente ruistemperatuur is Te = 290 × (F − 1) K. Een ruisgetal van 1 dB komt bijvoorbeeld overeen met ongeveer 75 K en 3 dB met ongeveer 290 K, en in het gebied van zeer lage ruis, zoals bij ontvangers voor satellietcommunicatie, wordt vaak de ruistemperatuur gebruikt.

De formule van Friis

Volgt op een schakeling met ruisfactor F1 en versterking G1 een schakeling met ruisfactor F2 en versterking G2, en daarna F3, dan is de totale ruisfactor F = F1 + (F2 − 1)/G1 + (F3 − 1)/(G1·G2) + … (allemaal lineair). De ruis van latere trappen wordt gedeeld door de versterking daarvoor, dus het is belangrijk in de eerste trap een LNA met een laag ruisgetal en een hoge versterking te plaatsen. Omgekeerd verslechtert het verlies (L dB) van een kabel of filter tussen de antenne en de LNA het ruisgetal rechtstreeks met dat bedrag.

Verband met halfgeleidercomponenten

Het ruisgetal van een LNA wordt bepaald door de thermische ruis van de transistor, hagelruis (shot noise), de gate- of basisweerstand en vergelijkbare factoren. Voor toepassingen die bij hoge frequenties een bijzonder laag ruisgetal vereisen, zijn HEMT's van GaAs en InP met hun hoge mobiliteit van de elektronen gebruikt. Intussen leveren LNA's in geschaalde CMOS voldoende prestaties voor mobiele telefoons en draadloze LAN's tot enkele GHz, en worden ze in transceivers geïntegreerd.

Nu oefenen: vragen over Ruisgetal (NF)

In de eerste trap van een ontvanger staat een LNA met een ruisgetal van 1,5 dB en een versterking van 15 dB, gevolgd door een schakeling met een ruisgetal van 10 dB. Welke waarde ligt het dichtst bij het ruisgetal van de twee trappen samen?

  1. A1,5 dB
  2. B2,3 dB
  3. C11,5 dB
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. 2,3 dB

Het ruisgetal van in cascade geschakelde trappen volgt uit de formule van Friis F = F1 + (F2 − 1)/G1, waarbij voor F (ruisfactor) en G (versterking) lineaire waarden worden ingevuld. F1 = 10^0,15 ≈ 1,41, F2 = 10 en G1 = 10^1,5 ≈ 31,6, dus F ≈ 1,41 + 9/31,6 ≈ 1,70; in dB is dat 10·log₁₀(1,70) ≈ 2,3 dB. De ruis van latere trappen wordt gedeeld door de versterking van de eerste trap; hoe groter die is, hoe kleiner hun invloed. Daarom wordt het ruisgedrag van een ontvanger vooral bepaald door de LNA in de eerste trap.

Neem voor de vermogensdichtheid van thermische ruis bij 290 K −174 dBm/Hz. Een ontvanger heeft een bandbreedte van 1 MHz en een ruisgetal van 6 dB, en voor demodulatie is een S/N van 10 dB nodig. Welke waarde ligt het dichtst bij de gevoeligheid van de ontvanger (het kleinste signaalvermogen dat kan worden ontvangen)?

  1. A−114 dBm
  2. B−108 dBm
  3. C−98 dBm
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. −98 dBm

Thermische ruis heeft in een bandbreedte van 1 MHz een vermogen van −174 + 10·log₁₀(10⁶) = −174 + 60 = −114 dBm. Als het ruisgetal van de ontvanger wordt opgevat als een toename van de ruis met dat bedrag, is het naar de ingang herleide ruisvermogen −114 + 6 = −108 dBm. Voor de benodigde S/N moet het signaal 10 dB daarboven liggen, dus de gevoeligheid is −108 + 10 = −98 dBm. Een kleinere bandbreedte, een lager ruisgetal of een lagere benodigde S/N verbetert (verlaagt) de gevoeligheid.

Veelgestelde vragen

Wat betekent een ruisgetal van 3 dB?

Dat de S/N bij het doorlopen van de schakeling 3 dB (ongeveer de helft) slechter wordt. Herleid naar de ingang voegt de schakeling evenveel ruis toe als de thermische ruis aan de ingang. Een 3 dB lager ruisgetal van een ontvanger verbetert de gevoeligheid met 3 dB.

Beïnvloeden ook de verliezen van mixers en filters het ruisgetal?

Ja. Een aangepast passief verlies (een filter of kabel) heeft een ruisgetal dat ongeveer gelijk is aan het verlies in dB. Vóór de LNA telt dat verlies rechtstreeks op bij het totale ruisgetal. Na de LNA wordt het volgens de formule van Friis gedeeld door de versterking van de LNA, en is het effect klein.

“Ruisgetal (NF)” in de toelichting

Vragen met “Ruisgetal (NF)” (3)

  1. In de eerste trap van een ontvanger staat een LNA met een ruisgetal van 1,5 dB en een versterking van 15 dB, gevolgd door een schakeling met een ruisgetal van 10 dB. Welke waarde ligt het dichtst bij het ruisgetal van de twee trappen samen?
  2. Neem voor de vermogensdichtheid van thermische ruis bij 290 K −174 dBm/Hz. Een ontvanger heeft een bandbreedte van 1 MHz en een ruisgetal van 6 dB, en voor demodulatie is een S/N van 10 dB nodig. Welke waarde ligt het dichtst bij de gevoeligheid van de ontvanger (het kleinste signaalvermogen dat kan worden ontvangen)?
  3. Welke schakeling in een radio-ontvanger staat direct achter de antenne en versterkt het zwakke ontvangen signaal terwijl ze zo weinig mogelijk eigen ruis toevoegt?

Verwante termen

Thermische ruis (Johnson-ruis) Beamforming (bundelvorming) BLE (Bluetooth Low Energy) Directe-conversieontvanger (zero-IF) Fading Linkbudget LPWA (low-power wide-area) MIMO (multiple-input multiple-output) NFC (near field communication) OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing)

Naar de woordenlijst