通信电子电路噪声与干扰PPT学习教案

1、会计学1通信电子电路噪声与干扰通信电子电路噪声与干扰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2第1页/共44页由电阻内部的自由电子无规则的由

2、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”3第2页/共44页噪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平均功率上消耗的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

3、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为热力学温度为热力学温度R为电阻的阻值为电阻的阻值4第3页/共44页( )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)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 fR5第4页/共44页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

4、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)：仅与仅与噪声源本身噪声源本身有关，与负载无关，表示有关，与负载无关，表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，仅与温度和系统带宽温度和系统带宽有关有关2/ 4MSSPVR6第5页/共44页放大器的工作带宽为放大器的工作带宽为2MHz，信号，信号源电阻为源电阻为 ，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

5、效值为，输入信号有效值为 时时，试计算输出信号有效值，试计算输出信号有效值(有用信号有用信号和噪声和噪声)，假定放大器所产生的噪声，假定放大器所产生的噪声及其它噪声可以忽略及其它噪声可以忽略20027 C2005 V23644 1.38 10300 2 102002.57inVkTR fV 200 51200 2.570.514oinoinVA VmVVA VmV7第6页/共44页22200( )( )|( )|( )( )|( )|oinoiSfSfH fvSf dfSfH fdf若输入信号为若输入信号为白噪声白噪声：222200200|( )|( )|niiH fdfvSH fdfS HH

6、定义线性系统的定义线性系统的等效噪声带宽等效噪声带宽为：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关，而由与输入噪声无关，而由传递函数传递函数决定决定有频响的线性网络使白噪声变成有色噪声有频响的线性网络使白噪声变成有色噪声0.7(1)2nBWBW到8第7页/共44页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，求输出端噪声电压的均方值，求输出端噪声电压的均方值无噪声无噪声RC网络的传递函数为：网络的传递函数为：1( )12H fjfRC故故222001( )|( )|41 (2)nkTv

7、S fH fdfkTRdffRCC等效噪声带宽为：等效噪声带宽为：202200|( )|111 (2)4nH fdfBWdfHfRCRC9第8页/共44页理想电抗元件不产生热噪声理想电抗元件不产生热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10第9页/共44页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产生热噪声。其中

8、和引线电阻均会产生热噪声。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PN结，使得不同的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结，使得不同的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，但其大小与平均电流值，但其大小与平均电流值 成正比。故成正比。故在低噪声放大器中，第一级的工作电流设计得较小在低噪声放大器中，第一级的工作电流设计得较小0I11第10页/共44页分配噪声分配噪声由

9、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，造成集电极和基极电流的，造成集电极和基极电流的随机波动随机波动而引起的噪声，也是电流噪声而引起的噪声，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，且随频率降低而升高，大体上与频率成反比区域，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

10、噪声源，也存在于其它元器件中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12第11页/共44页沟道热噪声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生，是场效应管的而产生，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，在栅极上的耦合，在栅极上感应感应而产生噪声，其值随功率频率及而产生噪声，其值随功率频率及 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

11、电荷的由栅极内电荷的不规则起伏不规则起伏引起引起13第12页/共44页二极管正偏状态二极管正偏状态正偏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，除散弹噪声散弹噪声外还有由于外还有由于P

12、N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14第13页/共44页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和各种的噪声能量和各种外界环境噪声外界环境噪声，与其周围的，与其周围的介质温度介质温度、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 产生的产生的热噪声热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

13、线的等效噪声温度，不一定等于天线周围的温度：天线的等效噪声温度，不一定等于天线周围的温度当天线与接收机输入端匹配时，额定噪声功率为：当天线与接收机输入端匹配时，额定噪声功率为：24nninimanAePPkT BWR15第14页/共44页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，在空间的的，在空间的分布也是分布也是不均匀不均匀的。例如，自然噪的。例如，自然噪声

14、随季节、昼夜时间以及频率的变声随季节、昼夜时间以及频率的变化都将发生变化；通常，化都将发生变化；通常，银河系的银河系的辐射辐射较强，其主要影响在较强，其主要影响在米波段以米波段以下下，长期观测表明，这种影响是稳，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定的；太阳的影响最大又极不稳定，它与太阳的黑子变化等有关，它与太阳的黑子变化等有关16第15页/共44页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

15、，则总输出噪，则总输出噪声功率等于各自输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17第16页/共44页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

16、输入到输出电路在信号中注入了多少噪声在信号中注入了多少噪声18第17页/共44页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，在电路输出端产生的噪声功率：输入噪声经过电路后，在电路输出端产生的噪声功率nonaopninaonioPPAPPPnaoP ：电路内部噪声在输出端产生的噪声功率：电路内部噪声在输出端产生的噪声功率11naonionaonaoni

17、oniopniPPPPFPPAP 19第18页/共44页设某放大器的功率增益设某放大器的功率增益 ，其固，其固有噪声功率有噪声功率 。分别计算。分别计算 和和 时的噪声系数之值时的噪声系数之值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20第19页/共44页NF频率

18、特性曲线频率特性曲线噪声系数等值线图。可见噪声系数等值线图。可见噪声系数还和放大器的工作条件有关噪声系数还和放大器的工作条件有关21第20页/共44页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22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？第21页/共44页按定义计算按定义计算/sininononosononisosinipnioPPPPPFPPPPPPAP11naonionaonaonioniopniPPPPFPPAP 信噪比与负载的

19、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23第22页/共44页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，可用额定功率表示实际功率可知，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、输出端都达到阻抗匹配，输入和输出功率达到最大所谓额定功率是指网络的输入、输出端都达到阻抗匹配，输入和输出功率达到最大/1/simnimnomnaomsomnompmnimpmnimPPPPFPPAPAP 式中各参数均为式中各

20、参数均为匹配条件匹配条件下的取值下的取值24第23页/共44页额定功率法额定功率法0001simssomssPRRRFPRR 输出端的等效戴维南电路参数为：输出端的等效戴维南电路参数为：0,ssosVV RRR20220444()ssimssssomosVPRVVPRRRnimnomPPkT f25第24页/共44页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噪声系数也可表示成输出端开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/sinisonoPPFPP2222nononionioviFFvi或22,nonov

21、i：分别为网络输出端：分别为网络输出端开路开路和和短路短路时时总的总的输出噪声均方输出噪声均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路开路和和短路短路时时理想网络理想网络的输出噪声均方的输出噪声均方电压电压和均方和均方电流电流/sininononosononisosinipnioPPPPPFPPPPPPAP26第25页/共44页开路电压法开路电压法204()nosvkT f RR22044naoniosvkT fRvkT fR2222011nonaosnioniovvRFRvv 短路电流法短路电流法204noskT fiRR22020204()

22、4()naossnioskTR fiRRkTRfiRR2222011nonaosnionioiiRFRii 27第26页/共44页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络，其对于输入、输出端均匹配的无源有耗网络，其nomnimPPkT f1nompmnimpmPFLAPA28第27页/共44页totalAtotalNF图中，图中，A为衰减器（无源有耗网络），为衰减器（无源有耗网络），B为放大器，假定为放大器，假定A、B均处于匹配状态，试计

23、算该级联电路的增益均处于匹配状态，试计算该级联电路的增益 及噪声系数及噪声系数 29第28页/共44页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使网络噪声系数最小的最佳源阻抗最佳源阻抗30第29页/共44页在进行

24、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31第30页/共44页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

25、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 时产生的时产生的噪声，而将原网络看做噪声，而将原网络看做理想无噪声网理想无噪声网络络，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32第31页/共44页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

26、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33第32页/共44页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

27、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 34第33页/共44页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35第34页/共44页当要求一定的

28、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290K ：接收机：接收机带宽带宽

29、B W ：接收机所要求的：接收机所要求的输出信噪比输出信噪比m in()oSN R36第35页/共44页当当 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1MHz，噪声系，噪声系数为数为20dB，若希望输出信噪比为，若希望输出信噪比为10dB，则灵敏度为：，则灵敏度为：6min9( 17420 10lg1010)843.98 10sPdBmdBmmW 37第36页/共44页

30、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BW=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 38第37页/共44页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BW=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 39第38页/共44页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BW=300kHZ ，试求：，试求