Même sans antenne branchée, un récepteur fait
entendre un bruit de fond dans le casque ou le haut parleur lorsque
tous les réglages de gains sont réglés au
maximum. Ce bruit de fond (bruit blanc, souffle...) est généré
par le récepteur lui-même et il s'ajoute d'une part
aux bruits parasites recueillis par l'antenne et d'autre part
au signal utile qui parfois peut être complètement
noyé.
Bruit d'origine thermique
Lorsqu'ils sont soumis à une température supérieure
au zéro absolu, les atomes constituant la matière
d'un conducteur voient leurs électrons s'agiter de façon
globalement désordonnée. Ces mouvements électroniques
génèrent des courants électriques aléatoires
qui s'ajoutent au courant utile traversant le conducteur. C'est
un bruit blanc, dont la puissance contenue dans une bande passante
donnée (1000 Hz, par exemple), est la même quelle
que soit la fréquence considérée.
La puissance du bruit dû à l'agitation électronique
est directement proportionnelle à la température
exprimée en kelvins mais aussi à la bande de fréquence
considérée. On peut la calculer simplement à
l'aide de la formule suivante :
avec : PTH : puissance de bruit, en W k : constante de Boltzmann = 1,38 . 10-23 J/K T : température en K B : largeur de la bande de fréquence en Hz
exemple :
Puissance de bruit à l'entrée d'un récepteur
à la température de 17°C soit 290 K et pour
une bande passante de 250 Hz : 1.10-18 watts ce qui correspond à un niveau de -150dBm
Densité spectrale de bruit
La puissance de bruit correspondant à une largeur de bande
de 1Hz est, appelée "densité spectrale de
bruit" représentée par la lettre S. C'est
une valeur intéressante que l'on utilise dans le calcul
de la sensibilité d'un récepteur. Elle correspond
au produit k.T de la formule ci-dessus. La densité
spectrale de bruit thermique ne dépend donc que de la température
exprimée en kelvin et lui est directement proportionnelle.
On la calcule facilement à l'aide de la formule précédente
pour une température T de 6000°K :
S = k . T
S =
1,38 . 10-23 . 6000
S =
8.28 . 10-20 W/Hz
Bruit en fonction de la bande passante
A la température ambiante standardisée de 290 kelvins
(+17°C) la densité de puissance, autrement dit, la
puissance de bruit dans une bande passante de 1 hertz est égale
à :
PTH = 1,38 . 10-23 . 290 . 1
PTH = 4.00 . 10-21 watts, ce qui correspond à un
niveau de -174dBm
C'est le niveau plancher de sensibilité
d'un récepteur à température ambiante.
Si la bande passante du récepteur est supérieure
à 1Hz, ce qui est le lot de tout récepteur d'amateur,
il faudra ajouter à ce niveau la valeur en décibels
correspondant à la puissance de bruit contenue dans la
bande passante du récepteur calculée avec la formule
:
Avec :
LNth : niveau de bruit en dB
B : bande passante du récepteur en Hz Exemple :
Bruit ajouté avec l'utilisation d'un filtre à 300Hz
: 24,8dB et avec un filtre à 2700Hz : 34,3dB
On voit que le gain de sensibilité lors de l'utilisation
de la télégraphie par rapport à celle de
la phonie peut être chiffrée à 10dB grâce
à l'utilisation d'un filtre étroit en télégraphie,
inutilisable en phonie.
Le niveau plancher d'un récepteur équipé
d'un filtre SSB de 2700Hz est donc : -174+34 = -140 dBm
Le tableau suivant donne le niveau de bruit en décibels
pour différentes bandes passantes B.
B(Hz)
LNth
B(Hz)
LNth
B(Hz)
LNth
B(Hz)
LNth
100
20.0
1100
30.4
2100
33.2
4000
36.0
200
23.0
1200
30.8
2200
33.4
5000
37.0
300
24.8
1300
31.1
2300
33.6
6000
37.8
400
26.0
1400
31.5
2400
33.8
7000
38.5
500
27.0
1500
31.8
2500
34.0
8000
39.0
600
27.8
1600
32.0
2600
34.1
9000
39.5
700
28.5
1700
32.3
2700
34.3
10000
40.0
800
29.0
1800
32.6
2800
34.5
20000
43.0
900
29.5
1900
32.8
2900
34.6
30000
44.8
1000
30.0
2000
33.0
3000
34.8
40000
46.0
Exemple pratique
L'analyseur de spectre, qui est un récepteur de type très
particulier, dispose de filtres qui permettent de choisir la résolution
avec laquelle la bande de fréquences observée sera
examinée. Selon la largeur du filtre utilisé, le
niveau plancher de bruit sera plus ou moins élevé.
Les quatre photos ci-dessous montrent le niveau de bruit mesuré
par un analyseur de spectre dont on fait varier la résolution
de 0,3kHz à 300kHz. On voit que le fait de multiplier par
10 la largeur de bande fait augmenter de 10dB le niveau du bruit
puisque sur l'axe vertical un carré correspond à
10dB. Un point situé en haut de l'écran est à
un niveau de -60dBm.
Bande passante 300Hz
- niveau bruit à -135dBm
Bande passante 3kHz
- niveau bruit à -125dBm
Bande passante 30kHz
- niveau bruit à -115dBm
Bande passante 300kHz
- niveau bruit à -105dBm
Niveau de bruit à l'entrée
du récepteur
Pour comparer la sensibilité
de deux récepteurs il est facile de calculer pour chacun
d'eux le niveau de bruit ramené à la prise d'antenne
à la température de 290 kelvins (+17°C) et bien
sûr pour la même bande passante.
Ce niveau de bruit LN est la somme de :
- niveau plancher de sensibilité d'un récepteur
à 290°K évalué plus haut à -174dBm
- niveau de bruit LNth en dB correspondant à la bande
passante considérée. Par exemple 24,8dB pour 300Hz
- facteur de bruit F du récepteur
exprimé en décibels
Ce qui se résume à la formule :
LN
= -174 + LNth + FdB Exemple :
Un récepteur de facteur de bruit 2,2dB et de bande passante
300Hz aura un niveau de bruit ramené à l'entrée
de -174 + 24,8 + 2,2 = -147dBm
Autres bruits
Dans un transistor bipolaire (ou une diode...) le passage des
porteurs de charges au niveau de la jonction provoque un bruit
dit "de grenaille" dont la densité de puissance
spectrale (puissance de bruit contenue dans une bande de fréquence
donnée) diminue lorsque la fréquence augmente.
Un autre type de bruit présent dans les semi-conducteurs
est le bruit de scintillation (flicker noise en anglais), c'est
un "bruit rose".
Il faut mentionner aussi le bruit de phase des divers oscillateurs.
Les tubes, maintenant très rares dans les étages
d'entrée des récepteurs, produisaient également
du bruit dû à des phénomènes qui leurs
étaient particuliers.
On ne parle ici que du bruit produit par le récepteur non
raccordé à une antenne, pas du bruit de fond produit
par l'intermodulation.
Inconvénient du bruit propre au récepteur
Sauf cas très particulier, un récepteur est toujours
relié à une antenne pour écouter un signal
particulier sur une fréquence donnée. En même
temps que le signal utile, l'antenne fournit au récepteur
une foule de signaux indésirables mais surtout du bruit
de fond radioélectrique d'origine naturelle (venant de
l'espace ou produit par les orages terrestres) ou généré
par les activités humaines. Le niveau de ce bruit de fond
est très variable en fonction de la saison, de la situation
géographique de l'antenne et de son environnement immédiat.
Mais le facteur déterminant est la fréquence. Le
niveau de bruit fourni par l'antenne dépend de la bande
: sur 160m (1,8MHz) il peut être supérieur de plus
de 50 décibels à celui que l'on rencontre sur la
bande 70cm (434MHz). On comprend facilement que le bruit généré
en interne par le récepteur aura moins d'influence sur
le rapport signal/bruit en décamétrique qu'en UHF.
C'est pourquoi on s'en préoccuppera surtout au-dessus de
30 MHz.
