Коэффициент шума каскада (формула Фрииса)

Коэффициент шума, шумовая температура и линейность — IIP3, OIP3 и P1dB — цепочки до пяти каскадов: усилителей, фильтров, кабелей, смесителей.

Видны поля только этих каскадов. Пустой каскад внутри цепочки пропускается.
дБ
Потери вводятся с минусом: кабель с потерями 2 дБ — это G = −2 дБ и Кш = 2 дБ.
дБ
дБм
По паспорту, по выходу. Пусто — каскад линейный: так вводят фильтр, кабель, аттенюатор.
дБм
Выходная мощность при сжатии усиления на 1 дБ (OP1dB). Если в паспорте входная — прибавьте G − 1 дБ.
дБ
дБ
дБм
дБм
дБ
дБ
дБм
дБм
дБ
дБ
дБм
дБм

Результат

Коэффициент шума цепочки
1,609 дБ
Шумовая температура Tш
130,1 К
Коэффициент шума F в разах
1,448
Общее усиление
41 дБ
IIP3 цепочки (по входу)
−7,836 дБм
OIP3 цепочки (по выходу)
33,16 дБм
P1dB цепочки по входу
−20,56 дБм
P1dB цепочки по выходу
19,44 дБм
По каскадам
КаскадКш с 1-го по этот, дБДоля шума, %
1157,74
21,021,304
31,23314,18
41,60926,78
  • Пассивный каскад (кабель, фильтр, аттенюатор) при 290 К вводится с усилением −L и коэффициентом шума L, где L — его потери в дБ.
  • Усиления — по доступной мощности при согласовании каскадов; полосы всех каскадов считаются одинаковыми.
  • Каскад без OIP3 или P1dB считается идеально линейным — так вводят пассивные фильтры и кабели. У активного каскада пустое поле завысит линейность цепочки.
  • P1dB цепочки по той же формуле, что IP3, — приближение (Mini-Circuits, 2022): компрессия каскадов складывается не строго. По входу P1dB = P1dB по выходу − усиление + 1 дБ.
F1, G1 F2, G2 F3, G3 F = F1 + (F2 − 1)/G1 + …

Коэффициент шума цепочки: 1,609 дБ

Формула

  • F = F1 + (F2 − 1)/⁠G1 + (F3 − 1)/⁠(G1G2) + …
  • Fi = 10Кшi/⁠10, Gi = 10Gi[дБ]/⁠10
  • Кш = 10 lg F
  • Tш = T0(F − 1), T0 = 290 К
  • 1/⁠OIP3 = Σ 1/⁠(OIP3i·Gi+1…Gn) в мВт, IIP3 = OIP3 − G
  • P1dB — так же, по входу P1дБ − G + 1 дБ
Подробнее о расчёте

Как считается

Коэффициент шума F показывает, во сколько раз каскад ухудшает отношение сигнал/⁠шум, если источник сигнала имеет температуру 290 К. В децибелах Кш = 10 lg F. Шум каждого следующего каскада, приведённый ко входу цепочки, делится на усиление всех предыдущих — это формула Фрииса:

F = F1 + (F2 − 1)/⁠G1 + (F3 − 1)/⁠(G1G2) + …

В формулу подставляются разы, а не децибелы. Шумовая температура Tш = 290·(F − 1) К. Пассивный каскад при 290 К имеет коэффициент шума, равный своим потерям, а усиление — минус потери.

Линейность считается по выходу, в милливаттах: 1/⁠OIP3 = Σ 1/⁠(OIP3i·Gi+1…Gn), IIP3 = OIP3 − G. Шум определяют первые каскады, линейность — последние. P1dB цепочки — по той же формуле, это приближение; по входу P1dB = P1dB по выходу − G + 1 дБ.

Пример

МШУ 20 дБ / 1 дБ, OIP3 +30 дБм; фильтр −2 дБ; смеситель −7 дБ / 7 дБ, OIP3 +8 дБм; УПЧ 30 дБ / 4 дБ, OIP3 +35 дБм. Шум: F = 1,259 + 0,585/⁠100 + 4,012/⁠63,1 + 1,512/⁠12,6 = 1,448, то есть 1,61 дБ. Линейность: 1/⁠OIP3 = 1/⁠(1000·126) + 1/⁠(6,3·1000) + 1/⁠3162 мВт⁻¹, OIP3 = +33,2 дБм, IIP3 = −7,8 дБм — её ограничивают смеситель и УПЧ.

Что не учтено

  • Каскады согласованы, полосы одинаковы; продукты IM3 каскадов складываются в фазе — худший случай.
  • Шум антенны и внешние помехи: они складываются с шумом приёмника отдельно.
  • Пассивный каскад теплее 290 К шумит сильнее своих потерь.

Источники

  • Friis H. T. Noise Figures of Radio Receivers. Proceedings of the IRE, 1944, т. 32, № 7, с. 419–422: определение коэффициента шума (4), шум самого четырёхполюсника (F − 1)GkTB (7), стандартная температура 290 К, коэффициент шума аттенюатора равен его ослаблению, формула (15) для двух каскадов F_ab = F_a + (F_b − 1)/G_a. Открыт скан выпуска на worldradiohistory.com. Российской нормы на формулу нет.
  • Mini-Circuits, «Every Block Covered: Cascaded P1dB and IP3 in a 26 GHz 5G Front-End», блог изготовителя, 08.12.2022 (открыт): выходные P1dB и OIP3 цепочки op(C) = 1/(1/(op(n−1)·g(n)) + 1/op(n)) в мВт, IIP3 = OIP3 − G, IP1dB = OP1dB − (G − 1); формулы не учитывают рассогласование каскадов и дают приближённую оценку.
  • E. Casas, ELEX 7860 «Wireless System Design», лекция 12, 2021 (конспект открыт на people.ece.ubc.ca): формула Фрииса F = F1 + (F2 − 1)/G1 + … и 1/IIP3 = 1/I1 + G1/I2 + G1G2/I3 + … в линейных единицах. Книга Pozar «Microwave Engineering» (2012) не открывалась.

Обновлено 09.11.2026.