Er zijn veel soorten ruis maar ik wil het hier hebben over thermische ruis. Thermische ruis is niets anders dan de “herrie” die electronen maken als ze in een substantie tegen hindernissen aan botsen. Ze ondervinden dus weerstand. Bij het absolute nulpunt bewegen ze niet en is er dus geen ruis. Hoe warmer het wordt, des te harder bewegen ze en de ruis neemt toe. Omdat er met die electronen energie rondgaat, kun je spreken over een stroompje. Aangezien ze weerstand ondervinden kun je dus U=IxR toepassen. Dat er per saldo niets uitkomt is omdat die electronen random door de weerstand gaan en we er van uit gaan dat er niets op aangesloten is. Het zijn allemaal kortere of langere pulsjes energie. Soms botst er een gelijk, soms weet hij langer de ionen te ontwijken 😉 Daardoor is ruis iets zonder vaste bandbreedte of frequentie. Alle frequenties zitten er in. De definitie van deze zogenaamde Witte ruis is dat dat het vermogen dat de ruis vertegenwoordigd van 0 tot 26GHz overal gelijk is. Daarom kun je het terugrekenen van de ene bandbreedte naar de ander.
Dat er per saldo niets uitkomt vond lijkt wat vreemd maar er over nadenkend klopt het wel. Het is, denk ik zo: we gaan dan uit van een weerstand die nergens aan vast zit, dat is tenslotte de bron van de ruis. Sluit je hem ergens op aan dan loopt er nog steeds geen stroom. Loopt er nu een signaalstroom uit externe bron doorheen dan gebeurt het volgende. Deze signaalstroom wordt “verstoort/vervuilt” door de ruis energie in de weerstand. Is het signaal groot dan is de signaal-ruisverhouding zo dat je er weinig van merkt. Is de energie van het signaal net zo groot als dat van de thermische ruis dan hoor je het signaal niet echt meer. De weinige electronen die binnen komen worden voor bijna 100% in hun richting/snelheid beinvloed waardoor de ruis toeneemt en het signaal verdwijnt. De vermogens van de twee blijven aanwezig dus de ruis verdubbelt. Dat klopt ook met de noise factor. Die wordt dan 2 en de Noise Figure dus 3dB. Zie daarvoor de uitleg hieronder.
Om dat nu te meten wordt het dus gerelateerd naar een bandbreedte. Dan kan je bv de ene ontvanger met de ander vergelijken. Als de ene een bandbreedte van 3KHz heeft en de ander maar 1KHz dan is de totale ruis energie, de noise power van de ene ontvanger ook drie keer zo groot als van de ander. We rekenen het dus vaak terug naar 1Hz als basiswaarde. Dus in dB/Hz
Een zekere Boltzmann heeft het een en ander op dat gebied berekent en een constante bedacht, een waarde voor de ruis bij kamertemperatuur in een weerstand. Ene Nyquist heeft dat weer in een formule verwerkt. Die formule zegt dat de noise power, het vermogen wat die ruis vertegenwoordigd in een stukje bandbreedte het gevolg is van Boltzmann’s constante maal de echte temperatuur maal de bandbreedte. Boltzmann’s constante is 1,38×10-²³ Ws/K
Nu kun je theoretisch een weerstand op de uitgang van een ontvanger aansluiten. Deze weerstand koelen tot nul graden Kelvin. De ruis die je dan meet is de eigen ruis van de ontvanger. Via de antenne ingang kan nu niets meer binnenkomen. Als je daarna de weerstand zou verwarmen tot je ruisnivo 3dB toeneemt en de temperatuur van de weerstand daarna meet heb je de ruistemperatuur van je ontvanger. Die is dan namelijk gelijk aan de temperatuur van de weerstand. Dat is onafhankelijk van bandbreedte maar niet echt makkelijk te meten. Koelen tot 0 graden Kelvin is toch wat lastig. Als je het al zou kunnen doet je versterker niets meer. Alleen een parametrische versterker werkt dan nog.
Daarom gebruiken we de noise figure en noise factor. De noise factor, nf, is de ruistemperatuur van het onderdeel gedeeld door 293 graden kelvin (kamertemperatuur=20 graden) plus 1 Als dat 293 graden is heb je dus een nf van 2. De NF, noise figure is dan niets anders dan de 10xlog(nf) , in ons voorbeeld 10 log(2)=3dB. Als je de een weet kun je de rest dus herleiden. bv: T=(nf-1)/293
Maar leuke ruisgetallen zijn natuurlijk belangrijk. Hoe lager de ruis hoe beter de verhouding tussen het te ontvangen signaal en de ruis wordt. Je hoort dus meer. Dat signaal komt echter niet vanzelf in je ontvanger daar is meer voor nodig.
Eerst de antenne. Deze produceert wel wat ruis maar dat valt in het niets bij wat hij ontvangt door dat hij warme objecten “ziet” De aarde is bv 100 tot 300K. Dat is nogal wat als hij deel uit maakt van je antenne zoals bij een vertical. Een dipool, hoog boven aarde komt er al wat beter af. De hemel is veel kouder, een schotel helemaal omhoog gericht ontvangt dus nog minder ruis. Behalve als je hem bv op de zon richt. Met het ontwerp moet wel rekening worden gehouden met zij lobben. Die moeten niet vol richting aarde gericht zijn.
Er is dus met een antenne veel winst te behalen zonder “gain” maar door de lokatie en constructie. Een slechte ontvanger heeft er geen last van. Die is al doof van zijn eigen ruis, een top ontvanger wordt er vakkundig door doof gemaakt. Echter denk hier niet veel aan te kunnen doen. Er spelen op dat vlak nog veel meer en veel moeilijkere factoren een rol.
Van die antenne moet het signaal dan richting ontvanger. Dat gebeurt meestal met coax. Nu heeft coax een vervelende eigenschap genaamt kabeldemping. Dat dempt je signaal. Een pure reactantie kan geen vermogen dissiperen. Dat kan alleen een echte weerstand. Oeps, een echte weerstand introduceert ruis. Dus behalve dat je signaal sterkte afneemt gaat je ruisnivo omhoog. Je signaal-ruisverhouding wordt dus vanaf twee kanten verslechterd. Het is dus voor ontvangst bijna nog belangrijker goede kabel te nemen dan voor zenden. Daar is ook de verlies arme kippenladder in het voordeel.
Dit heeft natuurlijk niets met man-made noise te maken want dat krijg je meestal er gratis bij. 😈
Kortom zorg dat je hele “systeem” geoptimaliseerd is en verknal een topontvanger niet met een beroerde antenne of kabel.
