시스템 잡음지수 계산 (Cascade Noise Figure)

 Total Noise Figure Calculator

☞ 사용방법
- 우선 몇 개의 직렬(cascade) 블록에 대한 특성을 종합계산할지 정한다.
- 정해진 블록만큼 block 1부터 각 블록의 특성 값을 채워나간다. (반드시 앞에서부터 채워나가야 함)
- 각 블록이 손실을 가지는 경우, Gain 입력항목에 - 부호를 함께 입력한다.
- Calculate 버튼을 누르면 직렬 시스템 전체의 종합적인 NF값과 Gain값이 계산된다.
- 사용하지 않는 나머지 뒷부분 block에는 특성값을 default값인 0으로 두면 된다.

 Noise Figure

잡음지수(NF)는 어떤 시스템이나 회로블럭을 신호가 지나면서, 얼마나 잡음이 추가되었느냐를 나타내는 지표이다. 이것은 출력 SNR 대 입력 SNR의 비로 간단하게 계산된다.

SNR이란 말그대로 Signal - to - noise ratio로써, 신호대 잡음비율을 의미하는 지표인데, 어떤 회로/시스템을 통과하고 나면 항상 잡음이 늘어나기 때문에 (절대로 줄어들지는 않는다) 출력 SNR은 입력 SNR보다 항상 작아지게 된다.

이때 단순히 SNR을 나눈 값은 Noise Factor라 불리우며, 대문자 F 로 나타낸다. 우리가 주로 사용하는 NF(Noise Figure)라는 값은 이 F를 dB 스케일로 본 것이다.

그래서 Noise Factor F는 반드시 1보다 큰 값을 가지게 되고, dB 스케일인 NF에서는 0보다 큰 값을 가지게 된다. (log 1 = 0)

 Cascade NF

어떤 회로나 시스템 블록이 직렬(cascade)로 연결된 경우, 최종 출력단에서의 NF는 아래의 수식으로 계산된다. 아래 수식에서는 NF대신 dB스케일이 아닌 F (Noise factor)값으로 계산하게 되며, Gain 역시 dB 스케일이 아닌 배율로 변환하여 계산해야 한다. (그래서 손으로 하긴 영 귀찮다) 
위의 웹 계산기는 편리하게 dB값인 NF로 바로 입력할 수 있으므로 착오가 없길 바란다.

 Cascade NF 계산의 의미

NF는 수신단에서 사용되는 지표이다. 공기중으로 통해 전달되어온 신호에는 오만가지 잡음이 섞여 있기 때문에, 그 잡음들 속에서 원하는 신호만 잡아낸다는게 결코 쉬운 일이 아니다. (그래서 RF가 쉽지 않은 것!)

그런데 그나마 어렵게 수신된 신호가 수신단의 각종 증폭기, 필터 등을 거치면서... 잡음이 점점 더 불어난다면 급기야 신호를 복조(demodulation)할 수 없는 지경까지 이를 수도 있을 것이다. 결국 수신기의 NF를 얼마나 줄일 수 있느냐라는 문제는, 무선수신기의 수신감도를 결정하는 가장 중요한 요소가 된다.

어쨌건 수신단의 자체의 NF값을 최소화하려면, 전체 수신 시스템의 NF를 계산할 수 있어야 할 것이다. 아래에 RF 수신부의 4단 블록에 대한 전체의 종합 NF 계산의 사례를 나타내었다.

Total NF : 3.24 dB

상기 값들을 맨 위의 웹 계산 프로그램에 입력하면 간단하게 전체의 NF를 구할 수 있다. RF 수신시스템을 설계하려면 위와 같이 각종 filter와 amp, mixer 들로 구성된 수신부의 NF를 계산하는 과정이 필수적으로 필요하다.

직접 계산해보면서 여러 값들을 바꾸어 보면 알겠지만, 시스템 전체의 NF를 결정짓는 가장 중요한 부분은 맨 앞부분의 NF값이다. 초반부터 잡음이 잘 잡히지 않으면 뒤로 갈수록 점점 더 불어나며, 초반 블록이 NF가 작고 이득이 큰 경우 시스템의 NF가 가장 크게 개선되게 된다. 그렇기 때문에 수신부 초단의 LNA(Low Noise Amplifier)의 역할이 중요한 것이다.

참조 > 고주파회로교실 V. Amplifier 3. 잡음지수(NF : Noise Figure) 

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