ノイズ指数とノイズ温度
ノイズ指数 (NF) とノイズ温度 (Te) は、RF コンポーネントが信号にどれだけのノイズを加えるかを表す同等の方法の 2 つです。これらは単純な式によって数学的に結び付けられますが、商用RF設計ではノイズ指数、衛星や電波天文学ではノイズ温度など、エンジニアリングの文脈によってそれぞれ好まれます。
ノイズフィギュア (NF)
雑音指数は、RF成分によって生じる信号対雑音比の低下で、dB単位で表されます。NF = 10·log( F)。ここで F はノイズ係数 (線形) です。完全な (ノイズのない) コンポーネントは NF = 0 dB です。
Advantages
- 直観的 — SNR がどれだけ失われているかを直接表示
- LNA、ミキサー、アンプの商用データシートに標準装備
- カスケードノイズ指数のFriisカスケード式で使いやすい
- 受信機の感度低下に直接関係する
Disadvantages
- 290 K (17°C) を基準としており、非常に低い温度では誤解を招く
- ノイズが非常に少ないシステム (NF < 1 dB) では不正確になる
- カスケードシステムでは直接追加できません (最初に線形に変換する必要があります)
When to use
LNAの選択、受信機チェーン解析、リンクバジェット計算、コンポーネントデータシートなど、すべての商用RF設計にノイズ指数を使用してください。
ノイズ温度 (Te)
等価ノイズ温度とは、部品と同じノイズ電力を生成する抵抗器の温度です。ノイズのない部品は Te = 0 K で、Te = T( F − 1) です。ここで T= 290 K です。
Advantages
- 超低ノイズシステム (極低温LNA、スペースレシーバー) ではより高精度
- カスケードで直接追加可能:合計Te = Te1 + Te2/G1 +...
- 衛星、電波天文学、および深宇宙通信の標準
- 基準温度が290 Kと異なる場合に便利
Disadvantages
- 直感的ではない—ジョンソン・ナイキストノイズの理解が必要
- 商用データシートには載っていない — NF から変換する必要がある
- 「温度」はデバイスの物理的な温度ではありません
When to use
衛星地上局、電波望遠鏡、極低温受信機、および物理温度が問題となるシステムや NF < 1 dB のシステムには、雑音温度を使用してください。
Key Differences
- ▸NF = 10·log( 1 + Te/290) — どちらもまったく同じノイズを表しますが、スケーリングが異なるだけです
- ▸NF は 290 K を基準とします。Te は絶対値 (ノイズのないデバイスの場合は 0 K)
- ▸NF 1 dB = Te ≈75 K; NF 3 dB = Te ≈290 K; NF 0.1 dB = Te ≈7 K
- ▸ノイズ指数は商用RFで使用され、ノイズ温度は衛星/天文学で使用されます
- ▸ノイズ温度は (ゲインで除算した後に) 加法的にカスケードしますが、ノイズ指数は変化しません
Summary
どちらの指標も同じ物理現象を表しています。日常の RF 設計や部品選択には雑音指数を使用してください。雑音温度は、衛星や深宇宙用途のほか、システムノイズに対する物理的な温度の影響を考慮する必要がある場合に使用します。この2つを素早く切り替えるには、換算計算機を携帯してください。
Frequently Asked Questions
ノイズ指数をノイズ温度に変換する方法を教えてください。
Te = 290 × (10^ (NF/10) − 1)。例:NF = 1 dB → Te = 290 × (1.259 − 1) = 75.1 K。逆に、NF = 10·log( 1 + Te/290)。
LNAにとって「良い」ノイズ指数はどれですか？
2.4 GHz WiFi/セルラーネットワークでは、1 ～ 3 dB の無線周波数が標準的です。ハイパフォーマンス LNA は 1 dB 未満を達成します。電波天文学用の極低温LNAは、NF < 0.1 dB (Te < 7 K) を達成します。最初のステージが優勢です。Friis の式から、G1 が大きくなっても後続のステージではノイズが比較的少ないことが分かります。
290 Kが基準温度として使用されるのはなぜですか？
IEEEは、ノイズ指数測定の標準基準温度として290K（約17°C）を選択しました。これは室温に近い温度です。これにより、NF 測定をラボ全体で再現できます。実際に発生するノイズは、NF とソースの物理温度の両方に依存します。
LNAの物理温度は雑音指数に影響しますか？
はい。ただし、予想とは異なる場合があります。アクティブデバイスのショットノイズと熱ノイズは物理的な温度に依存し、NF は LNA が冷却されると減少します。15～20 Kに冷却された極低温LNAは、5～15Kのノイズ温度を実現しますが、290 KのリファレンスはNFを定義するためだけのもので、動作温度ではありません。