第二章(4-1)噪声

1、第二章第二章 噪声与非线性失真噪声与非线性失真 噪声噪声限制了系统所能处理的限制了系统所能处理的最低最低信号电平信号电平 非线性失真非线性失真限制了系统所能处理的限制了系统所能处理的最高最高电平电平 本章主要内容本章主要内容: 一一. .噪声噪声 1. 起伏噪声的起伏噪声的基本特性基本特性 2.2.电子器件内部噪声的电子器件内部噪声的来源及等效电路来源及等效电路 3. 衡量系统噪声性能的衡量系统噪声性能的指标指标噪声系数与等效噪声温度噪声系数与等效噪声温度 二二. 非线性非线性 1.1.非线性器件的非线性器件的描述方法描述方法 2.2.器件非线性器件非线性对对线性放大器线性放大器的的影响及衡量

2、指标影响及衡量指标 3.非线性器件在非线性器件在频谱搬移频谱搬移中的中的应用应用 2.1 起伏噪声起伏噪声 起伏噪声的起伏噪声的特点特点（以电阻热噪声为例）：（以电阻热噪声为例）： 随机性、电流脉冲持续时间短、平均值为零随机性、电流脉冲持续时间短、平均值为零 描述起伏噪声的描述起伏噪声的几个重要概念：几个重要概念： （1）频谱）频谱 极宽，几乎占据整个无线电频段极宽，几乎占据整个无线电频段 （2）功率谱密度）功率谱密度 单位单位：dBm/Hz )( fS 频带频带 内的内的功率功率： 2 1 )( f f VV dffSP 12 fff dBm概念概念用用 dB 表示功率大小：表示功率大小：1

3、0logP 1mW功率：功率： 10log10dBm 15mW功率：功率：10log1511.76dBm 0.5mW功率功率10log0.53dBm 2 n V噪声噪声电压均方值电压均方值 2 n I噪声噪声电流均方值电流均方值 电流功率谱密度电流功率谱密度 2 1 2 ( ) f nI f ISf df ( ) I Sf 电压功率谱密度电压功率谱密度 ( ) V Sf 2 1 2 ( ) f nV f VSf df 2 n I 2 n V和和 代表单位电阻上的功率代表单位电阻上的功率 白噪声白噪声: 是是常数常数)( fS )()( 12 2 2 1 2 1 ffSdfSfdfSI I f

4、f I f f In 功率谱密度功率谱密度 带宽带宽 （3 3）等效噪声带宽）等效噪声带宽 -白噪声通过白噪声通过线性系统线性系统 f H(f) 00 22 2 )()()(dffHSdffHfSV iin 2 )()()(fHfSfS io )( )( 0 2 0 2 fH dffH BL 等效噪声带宽等效噪声带宽定义定义 系统系统总输出噪声总输出噪声 2 22 0 0 ( )( )() niiL VSfH fdfS Hf B 2.2 电路器件的噪声电路器件的噪声 R kTSI 1 4 kTRRSS IV 4 2 电流电流 电压电压 白噪声白噪声 1. 功率谱密度功率谱密度 3. 有噪电阻的

5、串并联有噪电阻的串并联 2. 等效电路等效电路 2.2.1 电阻的热噪声及等效电路电阻的热噪声及等效电路 有噪电阻有噪电阻 串联串联 无噪电阻无噪电阻R串噪声电压源串噪声电压源 并联并联无噪电阻无噪电阻R并噪声电流源并噪声电流源 2 n V 2 n I kTRBVn4 2 B R kTI n 1 4 2 （B为为系统系统带宽带宽） 4. 额定噪声功率额定噪声功率 条件条件: 噪声源与系统匹配噪声源与系统匹配 NA B 与噪声源电阻与噪声源电阻R大小无关大小无关 与噪声源温度有关与噪声源温度有关 特点特点 kTB R kTRB R V N n A 4 4 4 2 bb r 1 . 基区电阻基区电

6、阻 热噪声热噪声 白噪声白噪声 2. 散粒噪声散粒噪声 3. 闪烁噪声闪烁噪声 噪声噪声 f 1 2.2.2 双极型晶体管的噪声双极型晶体管的噪声 3. 噪声等效电路噪声等效电路 1. 沟道电阻热噪声沟道电阻热噪声 2.2.3 场效应管的噪声场效应管的噪声 2. 噪声等效电路噪声等效电路 2.2.42.2.4 电抗元件的噪声电抗元件的噪声 电抗元件的噪声来源于它的损耗电阻电抗元件的噪声来源于它的损耗电阻热噪声热噪声 线性网络噪声的表示方法：线性网络噪声的表示方法： 1. 两端口网络的等效输入噪声源两端口网络的等效输入噪声源 有噪网络有噪网络 （包含各种（包含各种 线性元件）线性元件） 2. 噪

7、声系数噪声系数 3. 等效噪声温度等效噪声温度 2.2.2.5 两端口网络的等效输入噪声源两端口网络的等效输入噪声源 等效等效 2 n V串联串联噪声噪声电压源电压源 2 n I 并联并联噪声噪声电流源电流源 2 n V 2 n I 输入端输入端短路短路，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值 输入端输入端开路开路，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值 求法：求法： 2.3 2.3 噪声系数噪声系数 2.3.1 2.3.1 噪声系数定义噪声系数定义 oo ii o i NP NP SNR SNR F /

8、/ 有噪有噪 网络网络 ()iSNR()oSNR 2.3.2 .3.2 噪声系数与等效输入噪声源的关系噪声系数与等效输入噪声源的关系 FdBNFlog10)( 1 () () i o SNR F SNR 2 () 1 4 nnS S VI R kTR B 对噪声系数的理解对噪声系数的理解 有噪网络的噪声系数一定大于有噪网络的噪声系数一定大于1 噪声系数与网络内部噪声大小有关噪声系数与网络内部噪声大小有关 网络的噪声系数与外部源噪声有关网络的噪声系数与外部源噪声有关 与源噪声温度与源噪声温度 T 有关有关 测量噪声系数时，规定标准噪声温度测量噪声系数时，规定标准噪声温度 T0=290k 噪声匹配

9、噪声匹配噪声系数最小噪声系数最小最佳源内阻最佳源内阻 与源内阻与源内阻R 有关有关 BkTR RIV SNR SNR F S Snn o i 4 )( 1 )( )( 2 2.4 2.4 等效噪声温度等效噪声温度 条件：条件：有噪线性网络、有噪线性网络、 产生白噪声、匹配产生白噪声、匹配 2.4.1.4.1等效噪声温度定义等效噪声温度定义 定义：定义：将网络视为无噪，其内部噪声折合到输入源端，将网络视为无噪，其内部噪声折合到输入源端， 视为由某电阻在温度视为由某电阻在温度 时产生的白噪声时产生的白噪声 e T P GB eP NkT BG 内 有噪网络输出噪声有噪网络输出噪声 和等效噪声温度的

10、关系和等效噪声温度的关系 2.4.2 2.4.2 等效噪声温度与噪声系数的关系等效噪声温度与噪声系数的关系 引入等效噪声温度的意义：引入等效噪声温度的意义： 设天线（信号源）的额定输入噪声为：设天线（信号源）的额定输入噪声为： 0 kT B 即噪声温度为即噪声温度为 0 T 网络的等效噪声温度为网络的等效噪声温度为 e T 总噪声温度为总噪声温度为 0e TT 0 () e k TT B 总输入噪声功率为总输入噪声功率为 总输出噪声功率为总输出噪声功率为 0 () eP k TT BG 已知条件已知条件: 网络带宽网络带宽 B、 、 e T P G i P 0 T 源端匹配源端匹配 、 0 ) 1(TFTe噪声系数与等效噪声温度的噪声系数与等效噪声温度的关系式：关系式： 2.5 2.5 多级线性网络级联的噪声系数多级线性网络级联的噪声系数 已知；已知；各级间均匹配，带宽均为各级间均匹配，带宽均为B 额定功率增益、噪声系数额定功率增益、噪声系数 等效噪声温度等