北京邮电大学 通信电子线路 第1章_噪声及干扰_唐恬

1、通信电子电路噪声与干扰北京邮电大学信息与通信工程学院唐 恬2009-2010学年第2学期2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰2本章教学内容o 1.1 噪声的来源和特点o 1.2 噪声的表示和计算o 1.3 降低噪声系数的措施o 1.4 干扰o 1.5 低噪声放大器o 总结2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰3本章教学重点o 1.1 噪声的来源和特点n 电阻的热噪声o 1.2 噪声的表示和计算n 噪声系数2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰41.1 噪声的来源和特点o 噪声和干扰n 噪声(noise)：电路内部产生的无用信号n 干扰(interfe

2、rence)：来自电路外部的无用信号o 课外知识：噪声在无线通信中的影响2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰51.1.1 电阻的热噪声定义o 电阻的热噪声是电阻内部的自由电子无规则热运动形成许多持续时间极短的脉冲电流叠加的结果：电流总和为零；每一瞬时，电流在某一方向都有一定数值；电流脉冲持续时间极短，因此热噪声频谱很宽(又称白噪声)o 衡量具有随机性的噪声不能直接将电流叠加，通常以噪声电压均方值来衡量：_2201lim( )TnnTee t dtT2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰61.1.1 电阻的热噪声重要公式o 噪声的频域描述-功率谱或均方电压谱，均方电

3、压谱=单位电阻上的功率谱o 电阻两端产生的热噪声的均方电压谱密度为：2( )4(/)S fkTR VHz其中k=1.38e-23，T=摄氏度+273。假定系统工作频带(或测量带宽)为f，则有：_24nekTR fo 4kTR与频率无关，所以热噪声也称白噪声24nnEekTR f2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰71.1.1 电阻的热噪声噪声等效电路o 依据诺顿定理：也即噪声的均方电流值为：_222nnei R 2ni2neo 电阻的噪声等效电路图如下：_2_224nneikTG fR2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰81.1.1 电阻的热噪声电阻的额定噪声功

4、率o 额定功率的简单定义：阻抗匹配时，网络输入输出功率达到最大，即为额定功率。o 电阻R在负载上产生的额定噪声功率：211 4222nnLekTR fPkT fRRR2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰91.1.1 电阻的热噪声噪声在网络中的传递、等效噪声带宽、3dB带宽o 假定 分别表示输入、输出噪声均方电压谱密度， 表示传输函数，则有：( )( )ioSfSf、( )H f2( )( )( )oiSfSfH fo 等效噪声带宽BWn：将滤波器(传输函数)等效为积分面积相同且H02一致的矩形滤波器的带宽2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰101.1.1 电阻的

5、热噪声噪声在网络中的传递、等效噪声带宽、3dB带宽o 3dB带宽(半功率点带宽)：在滤波器3dB带宽边界， 等于 的一半o 例题：例1.1.3，增加问题：图1.1.3b无噪声网络的3dB带宽和等效噪声带宽是多少？2( )H f20H2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰111.1.2 晶体管的噪声o 热噪声：基区体电阻 是主要噪声源_24nbbekTrfbbro 散粒噪声：由载流子通过PN结的随机性引起，又称“散弹噪声”：0( )2ISfqI散粒噪声是白噪声，也是电流噪声，所以低噪声放大器中第一级的工作电流设计较小2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰121.1.2

6、 晶体管的噪声o 分配噪声：由载流子在基区复合的随机性引起。工作频率越高，分配噪声越大，因此分配噪声不是白噪声o 低频噪声：闪烁噪声或爆裂噪声。与晶体管表面状态或内部缺陷有关。闪烁噪声强度与频率成反比，又称“1/f噪声”2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰131.1.3 场效应管的噪声o 沟道热噪声：主要源自沟道电阻：o 栅极感应噪声：了解即可，非白噪声o 闪烁噪声：与晶体管的成因类似o 栅极散粒噪声：其值比双极型晶体管小得多_24nmikTgf2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰141.1.3 场效应管的噪声o 双极晶体管和场效应管噪声的比较噪声种类双极晶体管

7、场效应管附热噪声主要来自主要来自散粒噪声有小或无栅极散粒噪声分配噪声有无栅极感应噪声小高频时场效应管栅极感应噪声会变大低频(闪烁)噪声有有bbrmgn 低频时，场效应管噪声小(无分配噪声，散粒、栅极感应噪声小)，高频时场效应管噪声增大，有可能超过双极晶体管(栅极感应噪声变大)2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰151.1.4 二极管的噪声o 二极管正偏：n 散弹噪声n 低频范围还要考虑闪烁噪声o 二极管反偏（散弹噪声较小）：n 齐纳型稳压管：o 散弹噪声o 频率较低时也有1/f噪声n 雪崩型稳压管（噪声大于齐纳型稳压管）o 除散弹噪声外还有多态噪声2009-2010学年第2学期

8、通信电子电路噪声与干扰161.1.5 天线噪声o 为工程方便，天线噪声统一用如下参数计算：n 辐射电阻：RAn 等效噪声温度：Tan BWn：接收机等效噪声带宽o 当天线与接收机输入端匹配时，输入接收机的天线噪声功率为：_24naAnekT R BW_24nanAekT BWR2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰171.1.6 多个噪声源作用于电路时的计算o 若各噪声源互不相关，总的均方电压等于各噪声源均方电压之和，对k个噪声源有：o 互不相关噪声源的均方相加性质是计算噪声电路的基本法则_222212nnnnkeeeeo 课外知识：以上法则（相关信号相加，其总功率增加的速度高于

9、不相关信号信号相加时的功率变化）在无线通信中的意义2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰181.2 噪声的表示和计算o 噪声对信号的影响，在电路某一点上，通常用信噪比(S/N)表示:10signal/dBnoise10logS N功率（）功率o 某电路从输入到输出注入的噪声需要用噪声系数衡量2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰191.2.1 噪声系数定义o 对线性四端网络，噪声系数F定义为：入信噪比/出信噪比。若用dB表示：NF=入信噪比(dB)-出信噪比(dB)o 对于级联的多级放大器，假定每级噪声系数为F1，Fn，每级放大系数为Ap1，Apn，则级联的总噪声系

10、数为：1010log()NFF dB32111212(1)111npppppp nFFFFFAAAAAAo 该公式说明什么？2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰201.2.1 噪声系数公式的变形/1sininononaoniososonopninionnonaonionioisiPPPPPPFPPPA PPPPPPPPo 参考p19对变量Psi、Pso、Pni、Pno、Ap、Pnio、Pnao的定义，有：o 可见噪声系数的值总是大于1的，仅理想无噪声电路噪声系数等于1，即0dB2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰211.2.1 噪声系数计算o 按定义计算(式1.

11、2.1) Rs RL R vs 222()/()44()sLLsLsissnisLsLV RRRRRRRPVkTRfPkTRfRRRRR222/4()4()sLLsLsossnosLsLV RRRRRPVkT RRfPkT RRfRRRR/1sisoninosssPPFPPRRRRR 2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰221.2.1 噪声系数计算o 额定功率法o 开路电压法和短路电流法一个重要的例子(右图)：求负载上的信噪比 Rs 2ne RL vs 结论：信号源与负载连接，负载上的信噪比与负载大小无关2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰231.2.1 噪声系

12、数计算：例1.2.1o 额定功率法n 分别假定输入输出匹配(Rs = R+RL、RL=Rs+R)，进行计算 Rs RL R vs /simnimsomnomPPFPPo 输入，输出匹配时，n 所以上式可化简为：nomnimPPkT f/simsomFPP2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰241.2.1 噪声系数计算：例1.2.1o 额定功率法 Rs RL R vs /1simsomsRFPPR 24ssimsVPRsomP24()ssVRR2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰251.2.1 噪声系数计算：例1.2.1o 开路电压法 Rs RL R vs _22

13、/nonioFee_24()nosekT RRf_24niosekTRf_22/1noniosRFeeR 2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰261.2.1 噪声系数计算：例1.2.1o 短路电流法 Rs RL R vs _22/nonioFii_24/()nosikT fRR_224/ ()niossikTRfRR_22/1noniosRFiiR 2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰271.2.1 噪声系数无源有耗网络的噪声系数o 网络匹配时： Rs RL R vs /1simnimsomnomnompmnimpmPPFPPPLA PAo 无源有耗网络的F也称

14、为插入损耗(L，插损)o 注意：插损的级联计算与级联噪声系数公式的矛盾？！2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰281.2.1 噪声系数总结o 定义。注意与dB的转换o 记住级联放大噪声系数公式o 理解噪声系数公式的变形o 理解计算噪声系数方法的实质：由于信号源输出信噪比与负载无关，可以对负载做出不同假定：n 假定负载开路-只计算均方电压比n 假定负载短路-只计算均方电流比n 假定负载匹配-利用额定功率计算2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰291.2.2 等效噪声温度o 将有噪线性网络的内部噪声视为信号源内阻Rs处于温度Te时产生的噪声，而将原网络看作理想无噪声

15、网络，这个Te就称为等效噪声温度 Rs sv To+ Te 无噪网络 (1)naonainipPPFPA1naopniPFA P即：(1)eokTfFkTf(1)eoTFT由式： 有2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰301.2.2 等效噪声温度o 级联网络等效噪声温度与噪声系数公式类似：22111212(1)eeeneepmpmpmpmpmpm nTTTTTAAAAAAn 引入等效噪声温度后，可以将网络噪声与等效噪声温度为Ta的天线噪声（即信号源噪声）相加，作为总的输入噪声，而把网络看作是无噪的。当信号源与网络输入端匹配时总的输入噪声功率为：n 引入等效噪声温度的另一个好处是

16、为衡量网络噪声性能提供更好的分辨率。参考表1.2.1()ninimaePPk TTf2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰311.2.3 放大器的通用噪声等效电路o 考虑右图等效电路，计算噪声系数 222222()inisnisisnisZeeeZRZ RiZR222inssisZeeZR2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰321.2.3 放大器的通用噪声等效电路 222222222114ninnsnssnnsseei RFeeei RkTRf 22/ssoptnnRRei=22min212nnneiFkT fe 2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干

17、扰331.2.4 噪声系数与灵敏度o 灵敏度：给定接收机要求的输出端信噪比的条件下，接收机所能检测的最低输入信号电平： Sminomin= ()(1)()aoPk BW TFTSNRo 以dB表示时： SminZomin(dBm)= (1)(dBm/H ) 10log()()(dB)aoPk TFTBWSNRo 当TaTo290K时，灵敏度为：Sminomin(dBm)=174(dBm)(dB)10log()()(dB)PNFBWSNR2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰341.3 降低噪声系数的措施o 选用低噪声元器件o 正确选择晶体管的直流工作点o 选择合适的信号源内阻o

18、选择合适的工作频带o 选用合适的放大电路o 降低前端热噪声2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰351.4 干扰o 工业干扰：n 通常是由产生电火花的装置引发的 ，如引擎点火系统、荧光灯、电动机的整流器、电器开关等 n 除直接辐射外，更主要的是沿电力线传输 n 从工业干扰的性质看，大都属于脉冲干扰 o 天电干扰：n 自然界的雷电现象是天电干扰的主要来源 2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰361.5 低噪声放大器o 低噪声放大器的主要性能指标是：n 低的噪声系数(NF)n 足够的线性范围n 合适的增益n 输入输出阻抗的匹配(衡量指标：反射系数或驻波比)n 输入输出间良好的隔离n 低电源电压和低功耗(对移动通信尤为重要) 2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰37总结1.1节2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰38总结1.21.5节2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰39作业o 1.1.1o 1.2.1o 1.2.3 2009-2010学年第2学期通信电子电路噪声与干扰40补充内容(1)：级联噪声系数的推导1o 用公式F=1+Pnao