第2章 噪声与干扰

1、第第2章章 噪声与干扰噪声与干扰 2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 噪声噪声 2.3 2.3 干扰干扰 2.4 2.4 发射机和接收机的主要性能指标发射机和接收机的主要性能指标 2.5 2.5 本章小结本章小结清华大学出版社2.1 概述 在通信、电子设备中，接收机和放大器的输出端除了输出有在通信、电子设备中，接收机和放大器的输出端除了输出有用的信号之外，还会在信号中夹杂着有害的噪声（用的信号之外，还会在信号中夹杂着有害的噪声（noise）和干扰（和干扰（interference）。）。 如：在电视机屏幕上看到的如：在电视机屏幕上看到的“雪花点雪花点”。 通过车载收音机收听节目时，若附近

2、恰好有高压电线路，通过车载收音机收听节目时，若附近恰好有高压电线路，收听到的声音会出现收听到的声音会出现“呲呲呲呲”的声音。的声音。 电视机上能隐约看到其他电台的图像轮廓电视机上能隐约看到其他电台的图像轮廓 收音机上能隐约听到其他电台的声音收音机上能隐约听到其他电台的声音 2.2 噪声 噪声，总的来说就是一个随机信号。它由振幅随机和相位随噪声，总的来说就是一个随机信号。它由振幅随机和相位随机的频率分量组成。虽然可以测定其长周期的均方根值，但机的频率分量组成。虽然可以测定其长周期的均方根值，但在某一时刻的确切幅度是不可预见的。如果可以预见噪声的在某一时刻的确切幅度是不可预见的。如果可以预见噪声的

3、瞬时幅度，那么，噪声问题就不复存在了。瞬时幅度，那么，噪声问题就不复存在了。 理论上讲，任何电子线路都有电子噪声，但是通常电子噪声理论上讲，任何电子线路都有电子噪声，但是通常电子噪声的强度比有用信号的强度小很多，因此噪声的影响主要出现的强度比有用信号的强度小很多，因此噪声的影响主要出现在有用信号比较弱的场合，因为在这种场合，噪声的大小和在有用信号比较弱的场合，因为在这种场合，噪声的大小和有用信号的大小是可比拟的。有用信号的大小是可比拟的。 icOvvAv)(2icOvvAv)(22.2.1 电阻的热噪声电阻的热噪声 电阻中的带电微粒（自由电子）在一定温度下，受到热激发电阻中的带电微粒（自由电子

4、）在一定温度下，受到热激发后，在导体内部作大小和方向都无规则的运动（热骚动）。后，在导体内部作大小和方向都无规则的运动（热骚动）。 若以若以S(f)表示噪声的功率谱密度，则由热运动理论和实验证表示噪声的功率谱密度，则由热运动理论和实验证明，对于电阻的热噪声，其功率谱密度为：明，对于电阻的热噪声，其功率谱密度为： (2-1) 式中，式中，R表示电阻的阻值，表示电阻的阻值，k表示波尔兹曼常数表示波尔兹曼常数 （Boltzmann constant）,等于等于1.3810-23J/K，T表示电表示电阻的绝对温度，单位为阻的绝对温度，单位为K。 ( )4S fkTR2.2.1 电阻的热噪声电阻的热噪声

5、 假设我们所考虑的设备的通频带是理想的矩形，宽度为假设我们所考虑的设备的通频带是理想的矩形，宽度为B，则电阻则电阻R的热噪声均方值电压可表示为：的热噪声均方值电压可表示为： 即即 (2-2) 如果如果R为为1K，B为为100KHz，则在室温情况下（，则在室温情况下（T300K），），电阻电阻R的噪声电压为：的噪声电压为： 可见，电阻的噪声电压很小。可见，电阻的噪声电压很小。2( )nUS f B2( )nUS f B24nUkTRB223334 1.38 101 10300 100 101.25nUV 2.2.1 电阻的热噪声电阻的热噪声 电阻噪声的等效电路，可以用一个理想的无噪声电阻电阻噪声

6、的等效电路，可以用一个理想的无噪声电阻R和一和一个均方值为的噪声电压源的串联来表示，或者用一个理想的个均方值为的噪声电压源的串联来表示，或者用一个理想的无噪声电阻无噪声电阻R和一个起伏噪声电流源来表示，如图和一个起伏噪声电流源来表示，如图2.1所示。所示。 (a) （b） 图图2.1 电阻热噪声等效电路电阻热噪声等效电路根据等效电路的原理，可以求出，根据等效电路的原理，可以求出，在通频带在通频带B B内，噪声电流的均方内，噪声电流的均方值为：值为： 2222414nnUkTRBIkTBRRR或写成或写成 24nIkTGB其中，其中，1GR表示电导。表示电导。 2.2.2 电容的噪声电容的噪声

7、一般，电容噪声在电路设计中不是什么问题。一个理想的电一般，电容噪声在电路设计中不是什么问题。一个理想的电容是没有噪声的。它不是一个热噪声源。然而，一个实际的容是没有噪声的。它不是一个热噪声源。然而，一个实际的电容不是完全无耗的，有一定的串联电阻和并联漏阻。阻抗电容不是完全无耗的，有一定的串联电阻和并联漏阻。阻抗中的这些实数分量贡献热噪声，但通常可以忽略不计。中的这些实数分量贡献热噪声，但通常可以忽略不计。 电容的噪声模型是一个噪声电流发生器与电容器的阻抗相并电容的噪声模型是一个噪声电流发生器与电容器的阻抗相并联。其主要噪声贡献是在低频，这时，电容的电抗不能有效联。其主要噪声贡献是在低频，这时，

8、电容的电抗不能有效旁通内部噪声。低频过剩噪声是主要的噪声来源。旁通内部噪声。低频过剩噪声是主要的噪声来源。 在低频电路应用中，通常需要较大的电容量。往往采用电解在低频电路应用中，通常需要较大的电容量。往往采用电解电容，因为它们的体积小些。钽电电解电容可用于低噪声电电容，因为它们的体积小些。钽电电解电容可用于低噪声电路。铝电解电容因其漏电严重、变形电流大，故不太理想。路。铝电解电容因其漏电严重、变形电流大，故不太理想。 电解电容主要有两种用法：旁路电容和耦合电容。从来都没电解电容主要有两种用法：旁路电容和耦合电容。从来都没有发现过旁路电容给电路带来噪声，它本身的阻抗便有效地有发现过旁路电容给电路

9、带来噪声，它本身的阻抗便有效地旁路了噪声发生器。旁路了噪声发生器。 2.2.3 二极管的噪声二极管的噪声 二极管的工作状态可分为正偏和反偏两种。在正偏二极管中，二极管的工作状态可分为正偏和反偏两种。在正偏二极管中，主要是直流电流通过主要是直流电流通过P-N结时所产生的散粒噪声。半导体材结时所产生的散粒噪声。半导体材料的体电阻热噪声可以忽略不计。料的体电阻热噪声可以忽略不计。 硅二极管工作电压在硅二极管工作电压在4V以下是齐纳二极管，以下是齐纳二极管，7V以上是雪崩以上是雪崩二极管，二极管，4V7V之间两种二极管都有。为了降低系统噪声，之间两种二极管都有。为了降低系统噪声，最好选用低压齐纳二极管

10、。最好选用低压齐纳二极管。 2.2.4 晶体三极管的噪声晶体三极管的噪声 在晶体管内部，带电粒子（电子和空穴）也经常处于无规则在晶体管内部，带电粒子（电子和空穴）也经常处于无规则的运动状态，产生相应的的运动状态，产生相应的“无规则无规则”的电压和电流，从而形的电压和电流，从而形成了晶体管的管内噪声。一般来说，在一个放大电路中，晶成了晶体管的管内噪声。一般来说，在一个放大电路中，晶体管的噪声往往比电阻热噪声或电容噪声要强得多，是影响体管的噪声往往比电阻热噪声或电容噪声要强得多，是影响接收机或测量仪器灵敏度的重要因素。接收机或测量仪器灵敏度的重要因素。 主要有：电阻热噪声主要有：电阻热噪声 、 散

11、粒噪声散粒噪声 、 分配噪声分配噪声 、 闪烁噪声闪烁噪声(噪声噪声) 等。等。2.2.5 场效应管的噪声场效应管的噪声 场效应管的工作原理与晶体三极管不同。场效应管不是依靠场效应管的工作原理与晶体三极管不同。场效应管不是依靠少数载流子的运动形成电流，因而散粒噪声的影响非常小。少数载流子的运动形成电流，因而散粒噪声的影响非常小。场效应管的沟道热噪声是由沟道中多数载流子的随机热运动场效应管的沟道热噪声是由沟道中多数载流子的随机热运动引起的；栅极散粒噪声是由于栅极泄漏电流引起的；栅极散粒噪声是由于栅极泄漏电流Ig是通过栅是通过栅源源P-N结产生的；场效应管的闪烁噪声是由于空间电荷层内电结产生的；场

12、效应管的闪烁噪声是由于空间电荷层内电荷的产生与复合，使得沟道电流产生波动而引起的。同时，荷的产生与复合，使得沟道电流产生波动而引起的。同时，在高频情况下，沟道载流子无规则的热运动产生的热噪声，在高频情况下，沟道载流子无规则的热运动产生的热噪声，除了产生沟道热噪声之外，还将通过栅电容将沟道电势分布除了产生沟道热噪声之外，还将通过栅电容将沟道电势分布的起伏耦合到栅极上，从而使栅极电压出现相应起伏，形成的起伏耦合到栅极上，从而使栅极电压出现相应起伏，形成感应栅噪声，这种感应栅噪声与沟道热噪声相关。感应栅噪声，这种感应栅噪声与沟道热噪声相关。 2.2.6 天线的热噪声天线的热噪声 天线的等效电路由辐射

13、电阻天线的等效电路由辐射电阻Ra和电抗和电抗Xa组成。辐射电阻只组成。辐射电阻只表示天线接收或辐射信号功率，它不同于天线导体本身的电表示天线接收或辐射信号功率，它不同于天线导体本身的电阻（天线导体本身的损耗近似等于零）。所以就天线本身而阻（天线导体本身的损耗近似等于零）。所以就天线本身而言，热噪声是非常小的。但是，天线周围的介质微粒时刻处言，热噪声是非常小的。但是，天线周围的介质微粒时刻处于热运动状态。这种热运动产生扰动的电磁辐射（噪声功于热运动状态。这种热运动产生扰动的电磁辐射（噪声功率），而这种扰动辐射被天线接收，然后又由天线辐射出去。率），而这种扰动辐射被天线接收，然后又由天线辐射出去。

14、当接收与辐射的噪声功率相等时，天线和周围的介质处于热当接收与辐射的噪声功率相等时，天线和周围的介质处于热平衡状态，因此天线中存在噪声的作用。热平衡状态下，天平衡状态，因此天线中存在噪声的作用。热平衡状态下，天线中的热噪声电压为：线中的热噪声电压为： 式中，式中，Ra为天线的辐射电阻；为天线的辐射电阻；Ta为天线等效噪声温度。为天线等效噪声温度。 24naaUkT R B2.2.7 噪声系数噪声系数 衡量一个电子设备的噪声性能，不能考虑设备的输出噪声功衡量一个电子设备的噪声性能，不能考虑设备的输出噪声功率的大小，输出噪声功率大，性能不一定不好，输出噪声功率的大小，输出噪声功率大，性能不一定不好，

15、输出噪声功率小，性能不一定就好率小，性能不一定就好。 信号和噪声的相互关系通常用它们的功率之比来表示，即信号和噪声的相互关系通常用它们的功率之比来表示，即（或（或 ），简称信噪比。其中，），简称信噪比。其中，S为有用信号的平均功率；为有用信号的平均功率；N为噪声的平均功率。为噪声的平均功率。SNsnPP2.2.7 噪声系数噪声系数 噪声系数的定义：噪声系数的定义： 一个线性四端网络的噪声系数一个线性四端网络的噪声系数Fn定义如下：定义如下： 当网络输入端接上一个标准信号源时，它的输入端信噪比与当网络输入端接上一个标准信号源时，它的输入端信噪比与输出端信噪比之比值，就叫做该网络的噪声系数。即：输

16、出端信噪比之比值，就叫做该网络的噪声系数。即： 用分贝表示为：用分贝表示为： ii/nooS NFSN输入端信噪比输出端信噪比ii/()10lg/nooS NF dBSN2.2.7 噪声系数噪声系数 噪声系数的计算：额定功率，是指信号源所能输出的最大噪声系数的计算：额定功率，是指信号源所能输出的最大功率，它是一个度量信号容量大小的参数，是信号源的一个功率，它是一个度量信号容量大小的参数，是信号源的一个属性，它只取决于信号源本身的参数属性，它只取决于信号源本身的参数内阻和电动势，与内阻和电动势，与输入电阻和负载无关。为了使信号源输出最大功率，要求信输入电阻和负载无关。为了使信号源输出最大功率，要

17、求信号源内阻号源内阻RS和负载电阻和负载电阻RL相匹配，即相匹配，即RS=RL。也就是说，只。也就是说，只有在匹配时负载才能得到额定功率值。而在网络输入端匹配有在匹配时负载才能得到额定功率值。而在网络输入端匹配时，信号源内阻时，信号源内阻RS给出的热噪声功率给出的热噪声功率Ni为最大，即：为最大，即： 同理，额定输出噪声功率为：同理，额定输出噪声功率为：kTBRBkTRRUNSSSnRim4442kTBNom2.2.7 噪声系数噪声系数 噪声系数的计算：噪声系数的计算： 额定功率增益额定功率增益KPm是指四端网络的输出额定功率是指四端网络的输出额定功率Psmo和输入和输入额定功率额定功率Psm

18、i之比，即：之比，即： 根据噪声系数的定义，分子和分母都是同一端点上的功率比，根据噪声系数的定义，分子和分母都是同一端点上的功率比，因此将实际功率改为额定功率，并不影响噪声系数的定义，因此将实际功率改为额定功率，并不影响噪声系数的定义，根据式（根据式（2-13）可得：）可得： smismoPmPPKPmPmimPmomnKkTBKkTBNKNF1 输出端额定功率信噪比输入端额定功率信噪比2.2.8 减小噪声的措施减小噪声的措施 目前常用的减小噪声的措施有以下几种：目前常用的减小噪声的措施有以下几种： 1. 选用低噪声器件和元件选用低噪声器件和元件 2. 正确设置晶体管放大电路的静态工作点正确设

19、置晶体管放大电路的静态工作点 3. 降低工作温度降低工作温度 4. 选择合适的工作带宽及信号源内阻选择合适的工作带宽及信号源内阻 2.3 干扰 无线电干扰通常按干扰源的性质区分，分为自然干扰和人为无线电干扰通常按干扰源的性质区分，分为自然干扰和人为干扰两大类。自然干扰来源于自然现象，是不可控制的。主干扰两大类。自然干扰来源于自然现象，是不可控制的。主要有天电干扰、宇宙干扰、大地干扰等。人为干扰来源于机要有天电干扰、宇宙干扰、大地干扰等。人为干扰来源于机器或其它人工装置，是可控制的。人为干扰又可区分为无线器或其它人工装置，是可控制的。人为干扰又可区分为无线电设备干扰和非无线电设备干扰两类。电设备

20、干扰和非无线电设备干扰两类。 icOvvAv)(2icOvvAv)(2天电干扰天电干扰 自然界的雷电现象是天电干扰的主要来源，除此之外，带电自然界的雷电现象是天电干扰的主要来源，除此之外，带电的雨雪和灰尘的运动，以及他们对接收天线的冲击都可能引的雨雪和灰尘的运动，以及他们对接收天线的冲击都可能引起天电干扰。一般在地面接收时主要的天电干扰时雷电引起起天电干扰。一般在地面接收时主要的天电干扰时雷电引起的。的。 天电干扰场的大小通常与地理位置（如发生雷电较多的赤道、天电干扰场的大小通常与地理位置（如发生雷电较多的赤道、热带、高山等地质，天电干扰较多）、季节（夏季比冬季多、热带、高山等地质，天电干扰较

21、多）、季节（夏季比冬季多、夜间比白天多）等有关。夜间比白天多）等有关。 克服天电干扰时困难的，因为不可能在产生干扰的地方进行克服天电干扰时困难的，因为不可能在产生干扰的地方进行抑制，只能在接收机上采取一些措施，如电源线加接滤波电抑制，只能在接收机上采取一些措施，如电源线加接滤波电路，采用窄频带，加接抗脉冲干扰电路等。路，采用窄频带，加接抗脉冲干扰电路等。宇宙干扰宇宙干扰 宇宙中银河星系及太阳的电磁辐射会对地球上的通信设备及宇宙中银河星系及太阳的电磁辐射会对地球上的通信设备及电子设备形成一定的干扰，其中太阳活动造成的干扰较强。电子设备形成一定的干扰，其中太阳活动造成的干扰较强。在太阳黑子活动期黑

22、子的爆发可产生比平稳期高数千倍在太阳黑子活动期黑子的爆发可产生比平稳期高数千倍的强烈噪声致使地面通信中断。一般来讲，能够到达地面的强烈噪声致使地面通信中断。一般来讲，能够到达地面的宇宙干扰的频率较高，是超短波波段干扰的重要来源。具的宇宙干扰的频率较高，是超短波波段干扰的重要来源。具测量，在测量，在18MHz-160MHz波段内银河系干扰的电平和频率波段内银河系干扰的电平和频率的立方成正比。的立方成正比。 工业干扰工业干扰 工业干扰是由各种电器装置中发生的电流（或电压）急剧变工业干扰是由各种电器装置中发生的电流（或电压）急剧变化所形成的电磁辐射，并作用在接收机天线上锁形成的。例化所形成的电磁辐射

23、，并作用在接收机天线上锁形成的。例如，马达、电焊机、高频电气装置、电疗机、如，马达、电焊机、高频电气装置、电疗机、X光机、电气光机、电气开关等，它们在工作过程中，或者由于产生火花放电而伴随开关等，它们在工作过程中，或者由于产生火花放电而伴随电磁波辐射，或者本身就存在电磁波辐射。电磁波辐射，或者本身就存在电磁波辐射。 工业干扰的强弱取决于产生干扰的电气设备的多少、性质及工业干扰的强弱取决于产生干扰的电气设备的多少、性质及分布情况。当这些干扰源离接收机很近时，产生的干扰时很分布情况。当这些干扰源离接收机很近时，产生的干扰时很难消除的。工业干扰的传播途径，除了直接辐射外，更主要难消除的。工业干扰的传

24、播途径，除了直接辐射外，更主要的是沿电力线传输，并通过交流接收机的电源直接进入接收的是沿电力线传输，并通过交流接收机的电源直接进入接收机。也可能通过天线与有干扰的电力线之间的分布电容耦合机。也可能通过天线与有干扰的电力线之间的分布电容耦合而进入接收机。而进入接收机。 无线电干扰无线电干扰 无线电干扰是由于在各种无线通信方式中，不同电台之间发无线电干扰是由于在各种无线通信方式中，不同电台之间发射信号的相互影响造成的干扰。例如在蜂窝移动通信中，目射信号的相互影响造成的干扰。例如在蜂窝移动通信中，目前多采用频率复用方式以提高频率利用率。这虽然增加了系前多采用频率复用方式以提高频率利用率。这虽然增加了

25、系统的容量，但同时也增加了系统的干扰程度。这些干扰主要统的容量，但同时也增加了系统的干扰程度。这些干扰主要包括同频干扰、邻频干扰和互调干扰。包括同频干扰、邻频干扰和互调干扰。 （1）同频干扰。）同频干扰。 （2）邻频干扰。）邻频干扰。 （3）交调干扰。）交调干扰。 2.4 发射机和接收机的主要性能指标发射机和接收机的主要性能指标 2.4.1 发射机的主要性能指标发射机的主要性能指标 发射机的主要技术指标有工作种类、调制方式、频率范围、发射机的主要技术指标有工作种类、调制方式、频率范围、频率稳定度及准确度、输出功率、效率、杂散辐射等。频率稳定度及准确度、输出功率、效率、杂散辐射等。 1. 工作种类工作种类 2. 调制方式调制方式 3. 频率范围、频率准确度与频率稳定度频率范围、频率准确度与频率稳定度 4. 输出功率与效率输出功率与效率 5. 预加重预加重 6. 杂散辐射杂散辐射 2.4 发射机和接收机的主要性能指标发射机和接收机的主要性能指标 2.4.2 接收的主要性能指标接收的主要性能指标 接收机的主要技术指标有工作种类、频率范围、频率准确度接收机的主要技术指标有工作种类、频率范围、频率准确度与稳定度、灵敏度、保真（或失真）度、选择性以及工作稳与稳定度、灵敏度、保真（或失真）度、选择性以及工作稳定性等。其中，接收机的工作种类和频率范围