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2012年1月 7日 (土)

NFのはなし

NFとは
[Noise Figure]で雑音指数と呼ばれ、雑音の少ない(多い)評価に使われます。
ここではアンプのNFと雑音の関係を考えてみます。
Nf
 右図のRFアンプの入出力で考えてみます。RF INに入力信号が入りますが、この入力で信号が Si として雑音が Niとします。出力は信号が So 雑音が No とします。いわゆる信号対雑音比(S/N)は、入力で Si/Ni 出力で So/No です。それぞれのLogをとって対数にして表現したものですが、入力が 信号 1mW 雑音 0.1µWならば S/N比 Si/Ni = 1mW/0.1µW= 1000µW/0.1µW = 10000 dBで表すと 40dBとなります。 ゲインが100倍とすると出力は 1mW x 100 = 100mW 、ノイズは 0.1µW x 100 = 10µW となるところアンプのノイズが加わって 2倍の 20µWとなったとすると S/N比は 100mW/20µW = 100000µW/20µW = 5000 で、37dB となります。 NFは 40dB - 37dB = 3dB となります。
要はこのアンプで雑音が2倍( 3dB)悪くなるというのがわかります。
 もう一つの下側の例では、入力にバンドパスフィルターが入っています。この場合BPFを入れることによって 信号が3dB減衰するとします。雑音も同様に 3dB減衰する状況ならば S/N比は変わらないはずです。しかしながら、受信機の入力段等入力の熱雑音が影響するほど低いレベルの信号を増幅する場合はどうでしょう?
空間には熱雑音がある
 熱雑音のはなし
にも書いたように、分子が振動して温度を持っている環境には熱雑音があり、25℃では
-174dBm/Hzというレベルで測定されます。仮に帯域幅 100kHzですと、-174dBm + 10Log(100,000)= -124dBm となります。0dBm = 107dBµ で換算して -124dBm = -17dBµ 程度なので、受信機の入力にはけっこうありえるレベルです。仮に入力信号が 0dBµ とすると入力 S/Nは 17dB あることになります。これに3dB減衰する BPFをつけた場合どうなるでしょう?信号は 3dB減衰しますが、熱雑音はAでもBのBPF出口でも同じ -17dBµあります。(どこでもこの熱雑音レベルがあるということです)すると、信号が 3dB減るので -3dBµ -(-17dBµ) = 14dB と S/Nは 3dB悪くなってしまいます。NF=0.8dBなんていくらNFの良いアンプを使っても、前段で減衰してしまうと 3dB+0.8dB = 3.8dB とこれだけで普通のNFのアンプになってしまいます。ヘリカルフィルター等いれれば妨害波に対する切れは良くなりますが、ロスが多いとせっかくの感度が台無しになってしまいますね。
ソフト的には
 仮に信号レベルがそんなに低くないから関係ない...と思うかも知れません。しかしながら広帯域のアンプを考えてください。現在では 100MHzから2GHzなんて広帯域のアンプがあります。この場合は帯域は約 2GHzとすると -174dBm + 10Log(2,000,000,000) = -80dBm となります。もしゲイン 60dBのアンプならば、入力が無くても出力には -20dBmのノイズが出力されることになります。
NFは最前段のNFが主となりますがその、詳しい話はMWAVE-LABORATORYさんの雑音指数 (Noise Figure , NF )その2などがよくわかるかと思います。

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