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잡음지수(Noise Figure, NF) part 1

굳이 마이크로파 회로분야에 한정하지 않더라도, 통신시스템의 수신부에서 신호성분에 대비한 잡음성분(노이즈)이 무시할 수 없는 양이 되어버리면, 통신 품질에 큰 영향을 줍니다.

따라서 회로설계를 시작하기 전에 신호와 잡음과의 관계에 대해 충분히 검토할 필요가 있습니다. 여기서는 잡음에 대한 기본적인 개념과 마이크로파 회로설계에서 주로 사용되는 잡음지수(Noise Figure, 간단하게 NF라고도 함)에 대해 설명하도록 하겠습니다.

열잡음은 열이 발생하는 소자에 발생하는 잡음으로, 주로 저항체에서 발생하게 됩니다. 손을 대었을 때 뜨겁지 않다 해도, 절대 0도 에 대비해 온도가 높으면 신호의 전력이 소비되어 잡음으로 발생하게 됩니다. 이 열잡음의 주파수 스펙트럼은 모든 주파수대역에 균일하게 분포되며, 그 잡음의 크기도 주파수에 의존하지 않는 특성을 갖고 있습니다.

그렇다면, 그 잡음의 양 '잡음전력(Noise Power)' 은 열에 의해 어느 정도의 크기로 나타나게 될까요?

회로에 입력되는 입력 잡음 전력 Ni (input Noise)는 아래와 같이 됩니다.

이 식을 통해 입력잡음 전력을 계산해보면, k는 상수이므로 온도(T)가 높고 대역폭(B)이 넓을수록 잡음이 많아진다는 것을 알 수 있습니다.

그렇다면, 일반 가정에서 사용되는 BS 위성방송 수신기(일본)의 예를 들어보겠습니다.

절대 0 K 는 -273.15°C 로써, 이것을 0 켈빈이라고 부르지요. 온도가 25°C 인 경우를 켈빈으로 나타내면 298.15K 가 됩니다. 일본 BS 위성방송의 대역폭은 27MHz이므로 잡음전력은 아래와 같이 계산됩니다.

(1W = 0dBW , 1mW = 0dBm 입니다)

실제로 이정도의 잡음전력이 나와 버리면 영상이 끊어질 수 있습니다. 참고로 잡음측정에 대해서는, 일반적으로 T=290K 가 표준온도 To 로 정의되고 있습니다.

회로 설계시에는, 이러한 입력되는 신호대잡음비 (SNR : Signal to Noise Ratio)라는 지표가 있어서, 회로 내부에서 어느 정도의 잡음이 발생하고 최종 출력단에서 어느 정도의 SNR값이 나오게 만드느냐가, 낮은 전력의 신호를 취급하는 수신부 회로설계에서는 중요해집니다.

다음 장에서는, 잡음 지수 자체에 대한 정의를 설명하도록 하겠습니다.

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