噪声与低噪设计

1、微弱信号检测微弱信号检测2prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 微弱信号检测概述微弱信号检测概述微弱信号不仅指信号的幅度小，主要指被噪声微弱信号不仅指信号的幅度小，主要指被噪声淹没的信号。淹没的信号。“微弱微弱”是相对于噪声而言的。是相对于噪声而言的。环境噪声很大时。收音机。环境噪声很大时。收音机。分贝计算公式：分贝计算公式：10*lg(p/pref)，其中，其中pref=20mpa，p为声功率为声功率例：两个例：两个60分贝的声音合成。分贝的声音合成。60=10*lg(p/p

2、ref)，所以，所以p=20000两个两个60分贝的声音合成，分贝的声音合成，p=2*20000=40000，所以总的分贝是：所以总的分贝是：10*lg(40000*1000/20）=63db 研究抑制噪声和提高信噪比。研究抑制噪声和提高信噪比。常规的方法：滤波；调制解调常规的方法：滤波；调制解调3prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 11 噪声的基本概念噪声的基本概念 一一. 干扰与噪声的定义：干扰与噪声的定义：扰乱有用信号的任何不期望的内扰乱有用信号的任何不期望的内部产生的

3、扰动称为部产生的扰动称为内部内部噪声或噪音，外部产生的扰动称干扰。噪声或噪音，外部产生的扰动称干扰。但无论内部噪声还是外部干扰，这里统称噪声。但无论内部噪声还是外部干扰，这里统称噪声。 二二. 噪声的统计规律（意义）噪声的统计规律（意义）4prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 1. 符合统计规律的正态分布符合统计规律的正态分布 概率密度概率密度: 均方值均方值:均方根值均方根值:(相当于交流电的有效值相当于交流电的有效值)平均值平均值:a: 数学期望，在这里是噪声电压的平均值，

4、等于数学期望，在这里是噪声电压的平均值，等于0。5prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 2. 噪声测量噪声测量交流电测量交流电测量 i = i m sin t 整流后测平均值：整流后测平均值：而有效值：而有效值：i效效/ i平平 1.11 i效效1.11 i平平因而修正刻度，即将测得的因而修正刻度，即将测得的i平平 再乘以再乘以1.11后，最后得到后，最后得到i效效。 由于噪声不是正弦波，而是短尖脉冲，故测量方法相同，但不是乘上由于噪声不是正弦波，而是短尖脉冲，故测量方法相同，

5、但不是乘上1.11修正刻度，而是通过经验得到修正值是修正刻度，而是通过经验得到修正值是1.13。现有的噪声表都是将噪声整流现有的噪声表都是将噪声整流后测平均值，再用后测平均值，再用1.13修正得到噪声的有效值。修正得到噪声的有效值。 6prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 三三 随机噪声的功率谱密度及相关函数随机噪声的功率谱密度及相关函数1自相关函数自相关函数 7prof. yang, the college of optic and electronic informatio

6、n engineering, usst 2)(r8prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 2功率谱密度：均方根值功率谱密度：均方根值 用来衡量噪声电压幅值的大小，用来衡量噪声电压幅值的大小，功率谱密度功率谱密度s（）用来分析噪声功率随频率的分布情况。）用来分析噪声功率随频率的分布情况。 ：角频率，：角频率，f ：频率，：频率， p（，）处带宽处带宽之间噪声的平均功率。之间噪声的平均功率。9prof. yang, the college of optic and electroni

7、c information engineering, usst 已知已知s( ()或或s( (f), 就可求得噪声得平均功率（均方值）：就可求得噪声得平均功率（均方值）： 特点：特点：1）频带增加，）频带增加，pn 上升，欲使上升，欲使pn下降，减少通频带下降，减少通频带减少噪减少噪声带宽；声带宽；2）s（）所覆盖的面积，在数值上等于噪声的总功率。）所覆盖的面积，在数值上等于噪声的总功率。 3）s （）是）是的实偶函数。的实偶函数。10prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 4功

8、率谱密度与自相关函数的关系功率谱密度与自相关函数的关系（维纳（维纳- -辛钦定量）辛钦定量）11prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 自相关函数和功率谱密度的形状都与随机噪声变化的速度有关自相关函数和功率谱密度的形状都与随机噪声变化的速度有关12prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 例例1-1 随机噪声随机噪声x(t)的自相关函数的自相关函数)exp()(2xr

9、求其功率谱密度函数和功率求其功率谱密度函数和功率13prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 22222)exp()(desjx 222222arctan1221dtxepx2)0(xxrp14prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 2几种典型噪声的几种典型噪声的 s（）:15prof. yang, the college of optic and electroni

10、c information engineering, usst bbbbnrsin2)(016prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 四四. 噪声带宽噪声带宽 对于确定信号的线性系统，带宽的典型定义是对于确定信号的线性系统，带宽的典型定义是半功率点之间的频率间隔。即：线性电路的半功率点之间的频率间隔。即：线性电路的-3db带宽。功率下降到带宽。功率下降到50%，相当于电压下降，相当于电压下降到到70.7%，即电压下降了，即电压下降了3db。p= u2/r= (0.707umax)

11、2/r=0.5umax2/r对于随机噪声，人们主要关心的是系统输出的对于随机噪声，人们主要关心的是系统输出的随机噪声功率大小。随机噪声功率大小。17prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst dhabe202201be是在相同的输入噪声情况下，与实际线性电路输出噪声功是在相同的输入噪声情况下，与实际线性电路输出噪声功率相等的理想矩形通带系统的带宽。率相等的理想矩形通带系统的带宽。 exyybandshdsp000211142121等效噪声带宽等效噪声带宽be dhndspyy0220

12、02242118prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 例例求一阶求一阶rc低通滤波器电低通滤波器电路的等效噪声带宽路的等效噪声带宽bercjjh11频率响频率响应函数应函数211rcjh幅频响幅频响应函数应函数rcdrcbe211022令幅频响应函数令幅频响应函数21jhrcb1019prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 等效噪声带宽等效噪声带宽be比比-3db

13、带宽带宽b0要宽，要宽，be1.57b0对于二阶低通滤波器，对于二阶低通滤波器，be1.22b0对于三阶低通滤波器，对于三阶低通滤波器，be1.15b0对于四阶低通滤波器，对于四阶低通滤波器，be1.13b0对于五阶低通滤波器，对于五阶低通滤波器，be1.11b0滤波器的阶次越高，其幅频响应曲线越接近于理想滤波器的阶次越高，其幅频响应曲线越接近于理想滤波器。滤波器。20prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 五五. . 噪声源的相关性噪声源的相关性 相关系数：相关系数： 设二随机

14、噪声设二随机噪声u1(t)、u2(t),则定义相关系数则定义相关系数c为：为： 两噪声相加得：两噪声相加得：u2= u12 +u22+2c u1 u2 当当c0，u1，u2独立，互不相关，独立，互不相关，u2= u12 +u22 当当c1， 完全相关。完全相关。 c1 , u= u1 +u2 c1 , u= u1u2当当/c/1， 部分相关。部分相关。实际计算时，实际计算时，c很难确定，故一般取很难确定，故一般取c0，则对于多个噪声源，则对于多个噪声源，u2= u12 +u22+u32+u42+-21prof. yang, the college of optic and electronic

15、 information engineering, usst 六、信噪比（六、信噪比（snr）及信噪改善比（）及信噪改善比（snir） 定义：定义：snr=s/n =信号有效值信号有效值/噪声有效值噪声有效值1/测量误差。测量误差。 snir输出信噪比输出信噪比/输入信噪比输入信噪比 反映系统噪声是否得到改善得情况。反映系统噪声是否得到改善得情况。 22prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 一一 电阻的热噪声电阻的热噪声ktrfst4)(12 电阻的热噪声和过剩噪声原因电阻的热

16、噪声和过剩噪声原因功率谱密度函数：功率谱密度函数：在室温下（在室温下（17），），4kt1.610-20等效功率：等效功率：ktrbpett4开路热噪声电压有效值：开路热噪声电压有效值：ktrbpt4适用范围：频率不是很高适用范围：频率不是很高（1012hz）。）。开路热噪声电流有效值：开路热噪声电流有效值：rktbit/423prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 串联等效电压有效值：串联等效电压有效值：et串串2=4ktb（r1r2） 24prof. yang, the co

17、llege of optic and electronic information engineering, usst 2122212122212212222ttttttttttteeeeeeeeeeeeeee串et1和和et2互不相关互不相关 222122212ttttteeeeeee串et串串2=4ktb（r1r2） 25prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 并联并联 et并并2=4ktb（r1/r2） 26prof. yang, the college of optic

18、and electronic information engineering, usst pn结的散弹噪声结的散弹噪声dcshqifs2)(bqipidcshsh2dcshshibii101066. 5/27prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 二二 电阻的过剩噪声电阻的过剩噪声原因：电导率不均匀，材料不同。原因：电导率不均匀，材料不同。大小：大小：uex2=kidc2r2/f 红噪声红噪声 碳膜电阻、金属膜电阻、绕线电阻碳膜电阻、金属膜电阻、绕线电阻变小。变小。措施：选高质量

19、电阻，减少措施：选高质量电阻，减少idc.28prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 爆裂噪声爆裂噪声流过半导体流过半导体pn结电流的突然变化，原因是半导体材结电流的突然变化，原因是半导体材料中的杂质。料中的杂质。29prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 三三. . 结论结论 nf 1, 热噪声为主；f1，剩余噪声为主。n少用直流放大器，多用交流放大器，采用调制方

20、法将直流变成交流。n低温或恒温，减少fn. 30prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 1-3 1-3 有源器件的噪声有源器件的噪声 噪声系数噪声系数: 描述系统或放大器的噪声情况描述系统或放大器的噪声情况(f)。 定义：定义： f输入信噪比输入信噪比/输出信噪比输出信噪比 用功率形式表达：用功率形式表达： 31prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 32prof.

21、 yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 如何得到如何得到e en n和和i in n？ eni2= en2 + in2 rs2n当当rs0，eni2= en2n当当rs，eni2= in2 rs2 取取rs0，（输入短路），测出，（输入短路），测出eno , 得得eneno/kv取取rs较大时，测得较大时，测得eno ，得得enieno/kv= in rs in = eno/(kvrs)33prof. yang, the college of optic and electronic in

22、formation engineering, usst 222222snntsnntnirieerieee222222224snnssnntniriefktrrieee34prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 222222224snnssnntniriefktrrieee高噪声放大器高噪声放大器低噪声放大器低噪声放大器35prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 最

23、佳源电阻与噪声匹配最佳源电阻与噪声匹配fktrriefktrriefktreepekppfssnnssnnstnininipnino4144222222222 , 0srf0srfnnsoier/fktiefnn21minssososrrrrff211min36prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 37prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 38prof. yan

24、g, the college of optic and electronic information engineering, usst 39prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 级联放大器的噪声系数级联放大器的噪声系数40prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 考虑考虑3 3级放大器，总得输出噪声功率级放大器，总得输出噪声功率p po o为：为：32313232

25、1ppkpkkpkkkpioioipopkkkppkpf321iiipkkkppkkppkpf3213212111ipkpf1111ipkpf2221ipkpf333121312111kkfkfff41prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 结论：结论：1. 放大倍数分配原则先大后小。放大倍数分配原则先大后小。 2第一第一 级放大器噪声对系统影响最大，级放大器噪声对系统影响最大， 重点要减少前置放大器的噪声系数。重点要减少前置放大器的噪声系数。 3以上公式和结论适合于线性电路中。

26、以上公式和结论适合于线性电路中。 121213121111mmkkkfkkfkfff弗里斯公式：弗里斯公式：42prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 运算放大器的噪声特性运算放大器的噪声特性大量晶体管（大量晶体管（pn结产生散弹噪声），一定数量的电阻（热结产生散弹噪声），一定数量的电阻（热噪声），引脚（噪声），引脚（1/f噪声）噪声）43prof. yang, the college of optic and electronic information engineering

27、, usst 返回返回44prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 1 14 4 低噪声前置放大器的设计低噪声前置放大器的设计 ktiefnn21min选择选择rsrso，使，使f最小，抑制噪声最好。最小，抑制噪声最好。 一从一从fmin出发选择最佳的源电阻出发选择最佳的源电阻rso. nnsoier/45prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 二器件的选择二器件的选择 n电容：用云母和瓷介电容器。大容量时选择钽电解电容器。电容：用云母和瓷介电容器。大容量时选择钽电解电容器。n根据信号源电阻来选择不同的放大器。根据信号源电阻来选择不同的放大器。46prof. yang, the college of optic and electronic information engineering, usst 四四 阻抗匹配