通信电子电路第1章_噪声与干扰

1、第一章：噪声与干扰第一章：噪声与干扰信息与通信工程学院信息与通信工程学院1 1学习资料共享学习资料共享学习资料共享（百度云盘）：学习资料共享（百度云盘）：用户名：北邮通电用户名：北邮通电密码：密码：tongdiantongdian2内容提要内容提要由由电路内部电路内部产生的产生的无用信号无用信号称称为为内部噪声内部噪声，简称，简称噪声噪声噪声和干扰泛指除有用信号以外噪声和干扰泛指除有用信号以外的其他的其他一切无用信号一切无用信号，将极大影，将极大影响电子设备的性能指标：响电子设备的性能指标：来自来自电路外部电路外部的的无用信号无用信号称为称为外外部噪声部噪声，通常也称为，通常也称为干扰干扰本章

2、主要讨论自然噪声：本章主要讨论自然噪声：噪声的来源和特点噪声的来源和特点噪声的表示和计算噪声的表示和计算干扰和噪声都具有干扰和噪声都具有随机性随机性3电阻热噪声的来源与特点电阻热噪声的来源与特点由电阻内部的自由电子无规则的由电阻内部的自由电子无规则的热运动产生，又称为热运动产生，又称为起伏噪声起伏噪声：是许多是许多持续时间极短持续时间极短的脉冲电流叠的脉冲电流叠加的结果加的结果长时看长时看总和为零总和为零，但在每一瞬时电，但在每一瞬时电流在某一方向都有一定数值流在某一方向都有一定数值频率范围很宽，可认为是频率范围很宽，可认为是“白白噪声噪声”4电阻热噪声的大小电阻热噪声的大小( (一一) )噪

3、声电压的噪声电压的均方值均方值：2201lim( )TnnTee t dtT可看做是噪声电压在可看做是噪声电压在单位电阻单位电阻上消耗的上消耗的平均功率平均功率功率谱密度功率谱密度 ：单位频带内的功：单位频带内的功率率( )S f电阻热噪声电压电阻热噪声电压的功率谱密度：的功率谱密度：( )4(/)S fkTR WHz231.38 10/kJK波尔兹曼常数波尔兹曼常数T T为热力学温度为热力学温度R R为电阻的阻值为电阻的阻值5电阻热噪声的大小电阻热噪声的大小( (二二) )( )4(/)S fkTR WHz若系统工作频带若系统工作频带( (或测量噪声功率或测量噪声功率时的频带宽度时的频带宽度

4、) )为为 ，则，则电阻热噪电阻热噪声电压的均方值声电压的均方值为：为：f24nekTR f有效值为：有效值为：24nnEekTR f实际电路中实际电路中的的电阻建模电阻建模形式：形式：24/nikT fR6电阻热噪声的额定噪声功率电阻热噪声的额定噪声功率易知当噪声源的负载易知当噪声源的负载与其内阻与其内阻匹配匹配时，噪时，噪声源能够实现声源能够实现最大功最大功率传输率传输LRR对于实数阻抗网络来对于实数阻抗网络来说，当说，当 时，时，nPkT f该功率又被称为噪声源的资用功率该功率又被称为噪声源的资用功率(available power)(available power)：仅与仅与噪声源本身

5、噪声源本身有关，与负载无关，表有关，与负载无关，表示示噪声源输出功率的最大能力噪声源输出功率的最大能力与电阻本身的大小无关，仅与与电阻本身的大小无关，仅与温度和系温度和系统带宽统带宽有关有关2/ 4MSSPVR7例题例题放大器的工作带宽为放大器的工作带宽为2MHz2MHz，信号源，信号源电阻为电阻为 ，当工作温度为，当工作温度为 ，电，电压增益为压增益为 ，输入信号有效值为，输入信号有效值为 时，试计算输出信号有效值时，试计算输出信号有效值( (有用信有用信号和噪声号和噪声) )，假定放大器所产生的噪，假定放大器所产生的噪声及其它噪声可以忽略声及其它噪声可以忽略20027 C2005 V236

6、44 1.38 10300 2 102002.57inVkTR fV 200 51200 2.570.514oinoinVA VmVVA VmV8等效噪声带宽等效噪声带宽22200( )( )|( )|( )( )|( )|oinoiSfSfH fvSf dfSfH fdf若输入信号若输入信号为为白噪声白噪声：222200200|( )|( )|niiH fdfvSH fdfS HH定义线性系统的定义线性系统的等等效噪声带宽效噪声带宽为：为：2020|( )|nH fdfBWH则有：则有：22020|()|nininvSH fBWS H BW等效噪声带宽等效噪声带宽与输入噪声无与输入噪声无关，

7、而由关，而由传递传递函数函数决定决定有频响的线性有频响的线性网络使白噪声网络使白噪声变成有色噪声变成有色噪声0.7(1)2nBWBW到9例题例题设下图中的电容为设下图中的电容为无损耗电容无损耗电容，求输出端，求输出端噪声电压的均方值噪声电压的均方值无噪声无噪声RCRC网络的网络的传递函数为：传递函数为：1( )12H fjfRC故故222001( )|( )|41(2)nkTvS fH fdfkTRdffRCC等效噪声等效噪声带宽为：带宽为：202200|( )|111 (2)4nH fdfBWdfHfRCRC10电抗元件的热噪声？电抗元件的热噪声？理想电抗元件不产生热噪声理想电抗元件不产生热

8、噪声实际的电感和电容，由于存在一实际的电感和电容，由于存在一定的定的损耗电阻损耗电阻或或漏电导漏电导，而被认，而被认为是为是有噪元件有噪元件电感的损耗电阻一般不能忽略电感的损耗电阻一般不能忽略电容的损耗电阻通常可以忽略电容的损耗电阻通常可以忽略11晶体管的噪声晶体管的噪声( (一一) )晶体管噪声的来源有如下四种：晶体管噪声的来源有如下四种：热噪声热噪声晶体管三个区的晶体管三个区的体电阻体电阻和引线电阻均会和引线电阻均会产生热噪声。其中产生热噪声。其中 为主要噪声源为主要噪声源bbr散粒噪声散粒噪声( (散弹噪声散弹噪声) )由于载流子随机通过由于载流子随机通过PNPN结，使得不同的结，使得不

9、同的瞬间发射极或集电极电流在平均值上下瞬间发射极或集电极电流在平均值上下作不规则的起伏变化而形成作不规则的起伏变化而形成0( )2ISfqI其其电流功率谱密度电流功率谱密度为：为：散粒噪声也是散粒噪声也是与频率无关与频率无关的的白噪声白噪声，但，但其大小与平均电流值其大小与平均电流值 成正比。故成正比。故在低在低噪声放大器中，第一级的工作电流设计噪声放大器中，第一级的工作电流设计得较小得较小0I12晶体管的噪声晶体管的噪声( (二二) )分配噪声分配噪声由于载流子在基区由于载流子在基区复合的随机性复合的随机性，造成，造成集电极和基极电流的集电极和基极电流的随机波动随机波动而引起的而引起的噪声，

10、也是电流噪声噪声，也是电流噪声低频噪声低频噪声包括包括闪烁噪声闪烁噪声( ( 噪声噪声) )及及爆裂噪声爆裂噪声，通常与晶体管表面状态或内部缺陷有关通常与晶体管表面状态或内部缺陷有关1/ f闪烁噪声的特点是在低频闪烁噪声的特点是在低频( (几千赫以下几千赫以下) )区域，其噪声强度显著增加，且随频率区域，其噪声强度显著增加，且随频率降低而升高，大体上与频率成反比降低而升高，大体上与频率成反比工作频率越高，分配噪声越大工作频率越高，分配噪声越大闪烁噪声是低频电子线路的主要噪声源，闪烁噪声是低频电子线路的主要噪声源，也存在于其它元器件中也存在于其它元器件中13场效应管的噪声场效应管的噪声沟道热噪声

11、沟道热噪声由导电沟道中由导电沟道中多子不规则的热运动多子不规则的热运动而产而产生，是场效应管的生，是场效应管的主要噪声源主要噪声源栅极感应噪声栅极感应噪声产生原因产生原因与双极型晶体管大致相同与双极型晶体管大致相同24ndmikTgf沟道热噪声通过栅极电容沟道热噪声通过栅极电容 的耦合，在的耦合，在栅极上栅极上感应感应而产生噪声，其值随功率频而产生噪声，其值随功率频率及率及 的增高而变大的增高而变大gsCgsC闪烁噪声闪烁噪声( ( 噪声噪声) )1/ f栅极散粒噪声栅极散粒噪声由栅极内电荷的由栅极内电荷的不规则起伏不规则起伏引起引起14二极管的噪声二极管的噪声二极管正偏状态二极管正偏状态正偏

12、状态下正偏状态下的二极管也存在的二极管也存在散弹噪声散弹噪声，在在低频范围低频范围内还需要考虑其内还需要考虑其闪烁噪声闪烁噪声二极管反偏状态二极管反偏状态由于由于反向饱和电流反向饱和电流较小，故较小，故散弹噪声较小散弹噪声较小反偏工作状态下主要针对反偏工作状态下主要针对稳压二极管稳压二极管齐纳型稳压管齐纳型稳压管主要呈现的是主要呈现的是散弹噪声散弹噪声，在频率较低时也有闪烁噪声在频率较低时也有闪烁噪声雪崩型稳压管雪崩型稳压管的噪声较大，除的噪声较大，除散弹噪散弹噪声声外还有由于外还有由于PNPN结内的结内的缺陷缺陷和和不均匀性不均匀性而造成的而造成的多态噪声多态噪声15天线噪声天线噪声( (一

13、一) )天线欧姆电阻天线欧姆电阻产生的噪声，通常可忽略产生的噪声，通常可忽略接收外来噪声能量接收外来噪声能量主要包括接收主要包括接收周围介质辐射周围介质辐射的噪声能量的噪声能量和各种和各种外界环境噪声外界环境噪声，与其周围的，与其周围的介质介质温度温度、天线的指向天线的指向及及频率频率有关有关接收天线端口噪声的两个来源：接收天线端口噪声的两个来源：用天线的辐射电阻用天线的辐射电阻 在温度在温度 产生的产生的热热噪声噪声来表示天线的噪声性能：来表示天线的噪声性能：ARaT24naAnekT R BWaT ：天线的等效噪声温度，：天线的等效噪声温度，不一定等于天线周围的温度不一定等于天线周围的温度

14、当天线与接收机输入端匹配时，额定噪当天线与接收机输入端匹配时，额定噪声功率为：声功率为：24nninimanAePPkT BWR16天线噪声天线噪声( (二二) )天线的环境噪声天线的环境噪声是指是指大气电离层的大气电离层的衰落衰落和和天气的变化天气的变化等因素引起的等因素引起的自自然噪声然噪声，以及来自太阳、银河系和，以及来自太阳、银河系和月球的月球的无线电辐射无线电辐射产生的产生的宇宙噪声宇宙噪声。环境噪声是环境噪声是不稳定不稳定的，在空间的分的，在空间的分布也是布也是不均匀不均匀的。例如，自然噪声的。例如，自然噪声随季节、昼夜时间以及频率的变化随季节、昼夜时间以及频率的变化都将发生变化；

15、通常，都将发生变化；通常，银河系的辐银河系的辐射射较强，其主要影响在较强，其主要影响在米波段以下米波段以下，长期观测表明，这种影响是稳定的；长期观测表明，这种影响是稳定的；太阳的影响最大又极不稳定，它与太阳的影响最大又极不稳定，它与太阳的黑子变化等有关太阳的黑子变化等有关17多个噪声源作用于电路时的计算多个噪声源作用于电路时的计算若各噪声源是若各噪声源是互不相关互不相关的，即各噪的，即各噪声源中任一噪声源在某特定时间上的声源中任一噪声源在某特定时间上的噪声电压的瞬时值与另一噪声源在该噪声电压的瞬时值与另一噪声源在该时间上的数值时间上的数值大小无关大小无关，则总输出噪，则总输出噪声功率等于各自输

16、出功率之和声功率等于各自输出功率之和222212nnnnkeeee否则需要考虑噪声源之间的相关系否则需要考虑噪声源之间的相关系数数18信噪比的定义信噪比的定义从从噪声对信号影响的效果噪声对信号影响的效果来看，不来看，不在于噪声电平的在于噪声电平的绝对值绝对值的大小，而在的大小，而在于于信号功率信号功率与与噪声功率噪声功率的的相对值相对值所以在电路的某一点所以在电路的某一点上，常用上，常用信号功率与噪信号功率与噪声功率的比值声功率的比值( (即信噪即信噪比比 ) )来表示来表示噪声对有噪声对有用信号的影响用信号的影响/S N信噪比不能表示从输入到输出电路信噪比不能表示从输入到输出电路在信号中注入

17、了多少噪声在信号中注入了多少噪声19噪声系数的定义噪声系数的定义即网络即网络输入端的信噪比输入端的信噪比和和输出端信噪比输出端信噪比的比值的比值/sinisonoPPFPP10lg()NFF dB/sininononosononisosinipnioPPPPPFPPPPPPAPpA：电路对信号的：电路对信号的功率增益功率增益nioP：输入噪声经过电路后，在电路输出：输入噪声经过电路后，在电路输出端产生的噪声功率端产生的噪声功率nonaopninaonioPPAPPPnaoP ：电路内部噪声在：电路内部噪声在输出端产生的噪声功输出端产生的噪声功率率11naonionaonaonioniopniP

18、PPPFPPAP 20噪声系数的定义噪声系数的定义( (例例) )设某放大器的功率增益设某放大器的功率增益 ，其固有噪声功率其固有噪声功率 。分别计算。分别计算 和和 时的噪声系数之时的噪声系数之值值10lg20pAdB10naoPW1niPW10niPW解：解：10111.1100 1naopniPFA P (1)niif PW100pA (10)niif PW10111.01100 10naopniPFA P 故为使噪声系数有一个确切的定义，故为使噪声系数有一个确切的定义，输入噪声功率一般规定为输入噪声功率一般规定为信号源内阻信号源内阻产生的产生的热噪声功率热噪声功率21噪声系数示例噪声系

19、数示例NFNF频率特性曲频率特性曲线线噪声系数等值线图。噪声系数等值线图。可见可见噪声系数还和放噪声系数还和放大器的工作条件有关大器的工作条件有关22级联电路的噪声系数级联电路的噪声系数32111212(1)111npppppp nFFFFFAAAAAA影响级联放大器噪声性能的主要因素是影响级联放大器噪声性能的主要因素是第一级的噪声系数及其功率增益第一级的噪声系数及其功率增益23级联电路噪声系数公式的证明？级联电路噪声系数公式的证明？噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法( (一一) )按定义计算按定义计算/sininononosononisosinipnioPPPPPFPPPPPPAP11na

20、onionaonaonioniopniPPPPFPPAP 信噪比与负载的关系信噪比与负载的关系2202220()sLsLsosononnLsLVRRRPVSNPeeRRR即信号源加上负载后的即信号源加上负载后的信噪比与负载大小无关信噪比与负载大小无关24噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法( (二二) )额定功率法额定功率法由由信噪比与负载的关系信噪比与负载的关系可知，可知，可用额定功率表示实际功率可用额定功率表示实际功率/sinisonoPPFPP所谓额定功率是指网络的输入、所谓额定功率是指网络的输入、输出端都达到阻抗匹配，输入输出端都达到阻抗匹配，输入和输出功率达到最大和输出功率达到最大/

21、1/simnimnomnaomsomnompmnimpmnimPPPPFPPAPAP 式中各参数均为式中各参数均为匹配条件匹配条件下的下的取值取值25噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法( (例例一一) )额定功率法额定功率法0001simssomssPRRRFPRR 输出端的等效戴维南输出端的等效戴维南电路参数为：电路参数为：0,ssosVV RRR20220444()ssimssssomosVPRVVPRRRnimnomPPkT f26噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法( (三三) )开路电压法和短路电流法开路电压法和短路电流法噪声系数也可表示成输出端开噪声系数也可表示成输出端开路时的两

22、均方电压之比或输出路时的两均方电压之比或输出端短路时的两均方电流之比端短路时的两均方电流之比/sinisonoPPFPP2222nononionioviFFvi或22,nonovi：分别为网络输出端：分别为网络输出端开开路路和和短路短路时时总的总的输出噪声均输出噪声均方方电压电压和均方和均方电流电流22,nioniovi：分别为网络输出端：分别为网络输出端开开路路和和短路短路时时理想网络理想网络的输出的输出噪声均方噪声均方电压电压和均方和均方电流电流/sininononosononisosinipnioPPPPPFPPPPPPAP27噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法( (例例二二) )开路

23、电压法开路电压法204()nosvkT f RR22044naoniosvkT fRvkT fR2222011nonaosnioniovvRFRvv 短路电流法短路电流法204noskT fiRR22020204()4()naossnioskTR fiRRkTRfiRR2222011nonaosnionioiiRFRii 28噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法( (四四) )无源有耗网络的噪声系数无源有耗网络的噪声系数/sinisonoPPFPP使用额定功率法：使用额定功率法：/simnimnomsomnompmnimPPPFPPAP对于输入、输出端均匹配的无源有耗网对于输入、输出端均匹配的

24、无源有耗网络，其络，其nomnimPPkT f1nompmnimpmPFLAPA29级联电路的噪声系数级联电路的噪声系数( (例例) )totalAtotalNF图中，图中，A A为衰减器（无源有耗网络），为衰减器（无源有耗网络），B B为为放大器，假定放大器，假定A A、B B均处于匹配状态，试计均处于匹配状态，试计算该级联电路的增益算该级联电路的增益 及噪声系数及噪声系数 30噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法( (五五) )噪声系数与噪声系数与网络内部噪声网络内部噪声大小有关大小有关噪声系数与以下因素有关：噪声系数与以下因素有关：噪声系数与噪声系数与输入噪声的大小输入噪声的大小或者说或

25、者说与与信号源噪声温度信号源噪声温度有关有关测量网络的噪声系数时，规定信测量网络的噪声系数时，规定信号源内阻取标准噪声温度，即：号源内阻取标准噪声温度，即：0290TK网络噪声系数还与网络噪声系数还与信号源内阻信号源内阻有关，有关，因此存在因此存在使网络噪声系数最小的最使网络噪声系数最小的最佳源阻抗佳源阻抗31噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法( (六六) )在进行计算时，无论是电压与电流转在进行计算时，无论是电压与电流转换，还是分压系数与分流系数，都要换，还是分压系数与分流系数，都要是是平方关系平方关系一般情况下：一般情况下：分析分析串联形式串联形式的电路用的电路用开路电压法开路电压法较简

26、单较简单分析分析并联形式并联形式的电路用的电路用短路电流法短路电流法较方便较方便当电路较复杂时，用当电路较复杂时，用额定功率法额定功率法较较为简便，但需注意为简便，但需注意额定功率法只适额定功率法只适用于无源网络用于无源网络噪声系数的概念仅适用于噪声系数的概念仅适用于线性网络线性网络32等效噪声温度等效噪声温度( (一一) )将将有噪声线性网络有噪声线性网络的的内部噪声内部噪声折算到折算到电路电路输入端输入端，此内部噪声可以用，此内部噪声可以用提高提高信号源内阻上的温度信号源内阻上的温度来等效，即将其来等效，即将其视为信号源内阻视为信号源内阻 处于温度处于温度 时产生时产生的噪声，而将原网络看

27、做的噪声，而将原网络看做理想无噪声理想无噪声网络网络，这个，这个 就称为等效噪声温度就称为等效噪声温度0sReTeT(1)1/eoeoTFTFTT 推导可得：推导可得：多级级联网络的等效多级级联网络的等效噪声温度公式请自行噪声温度公式请自行查看课本查看课本33等效噪声温度等效噪声温度( (二二) )当当系统与前端匹配系统与前端匹配时，可将等效噪声时，可将等效噪声温度与信号源内阻的噪声温度温度与信号源内阻的噪声温度叠加叠加，从而实际处理时比较方便，此时有：从而实际处理时比较方便，此时有：()ninimaePPk TTf其中其中 为信号源噪声的等效噪声温度为信号源噪声的等效噪声温度aT等效噪声温度

28、比较适合等效噪声温度比较适合描述噪声系数描述噪声系数接近接近1 1的部件的部件，原因在于其提供了比，原因在于其提供了比较高的分辨率较高的分辨率34放大器的通用噪声等效电路放大器的通用噪声等效电路( (一一) )假定所有噪声具有假定所有噪声具有相同的频谱相同的频谱，且，且无无相关性相关性各参数的含义说明：各参数的含义说明：2220, ,ssnniRe e iZ A在输入端短路和开路情况下，分别测在输入端短路和开路情况下，分别测量量输出端的噪声均方根值输出端的噪声均方根值，便可通过，便可通过折算求出噪声系数折算求出噪声系数推导可得：推导可得：2220014nnssei RFkTRf 35放大器的通

29、用噪声等效电路放大器的通用噪声等效电路( (二二) )2220014nnssei RFkTRf 当当 时，时，202nssoptneRRi22min212nnneiFkT fe 当当信号源内阻信号源内阻为使为使噪声系数最小噪声系数最小的最的最佳信号源内阻时，电路本身产生的噪佳信号源内阻时，电路本身产生的噪声功率相对于信号源内阻产生的噪声声功率相对于信号源内阻产生的噪声功率，其影响达到最小，但是并不说功率，其影响达到最小，但是并不说明输出端的信噪比一定最大明输出端的信噪比一定最大36噪声系数与灵敏度噪声系数与灵敏度( (一一) )当要求一定的输出信噪比时，当要求一定的输出信噪比时，噪声性噪声性能

30、能决定了决定了输入端必需的信号功率输入端必需的信号功率灵敏度就是在给定接收机要求的输出灵敏度就是在给定接收机要求的输出端信噪比的条件下，接收机所能检测端信噪比的条件下，接收机所能检测的的最低输入信号电平最低输入信号电平：min0min()(1)()saoPk BW TFTSNRmin0min()(1)(/)10lg()()saoPdBmk TFTdBm HzBWSNRdBaT ：接收机：接收机天线的等效噪声温度天线的等效噪声温度F ：接收机的：接收机的噪声系数噪声系数0T ：标准噪声温度标准噪声温度，即，即290K290K ：接收机：接收机带宽带宽B W ：接收机所要求的：接收机所要求的输出信

31、噪比输出信噪比m in()oSN R37噪声系数与灵敏度噪声系数与灵敏度( (二二) )当当 时，灵敏度为：时，灵敏度为：0290aTTKmin0min()(1)(/)10lg()()saoPdBmk TFTdBm HzBWSNRdBminmin()174()() 10lg()()soPdBmdBmNF dBBWSNRdB 例：设接收机带宽为例：设接收机带宽为1MHz1MHz，噪声系数，噪声系数为为20dB20dB，若希望输出信噪比为，若希望输出信噪比为10dB10dB，则灵敏度为：则灵敏度为：6min9( 17420 10lg1010)843.98 10sPdBmdBmmW 38例例如图所示

32、放大器及输入信号，设放大如图所示放大器及输入信号，设放大器的带宽器的带宽BWBW=300kHZ =300kHZ ，试求：，试求：输入信噪比输入信噪比输出信号功率输出信号功率输出噪声功率输出噪声功率输出信噪比输出信噪比/siniPPsoPnoP/sonoPP输入信噪比：输入信噪比：/20isiniSNRPPdB输出信号功率：输出信号功率：952075sosipmPPAdBmdBdBm 39例例如图所示放大器及输入信号，设放大如图所示放大器及输入信号，设放大器的带宽器的带宽BWBW=300kHZ =300kHZ ，试求：，试求：输入信噪比输入信噪比输出信号功率输出信号功率输出噪声功率输出噪声功率输出信噪比输出信噪比/siniPPsoPnoP/sonoPP3NFdB2F 00(1)eTFTT放大器内部噪声等效到输入端的功率放大器内部噪声等效到输入端的功率为：为：121.2 10ekT BWmW121153.16 10nimPdBmmW 10()4.36 1093.6nonimePG PkT BWmWdBm 40例例如图所示放大器及输入信号，设放大如图所示放大器及输入信号，设放大器的带宽器的带宽BWBW=300kHZ =300kHZ ，试求：，