信噪比和噪声系数

1、8.3 8.3 信噪比和噪声系数信噪比和噪声系数 8.3.1 8.3.1 信噪比信噪比 信噪比：衡量一个信号质量优劣的指标。它是在指定信噪比：衡量一个信号质量优劣的指标。它是在指定频带内，同一端口信号功率频带内，同一端口信号功率 sP和噪声功率和噪声功率 nP的比值，即的比值，即 /snPS NP当用分贝表示信噪比时，有当用分贝表示信噪比时，有 /()10lgsnPS N dBP信噪比越大，信号质量越好。信噪比越大，信号质量越好。 8.38.3.2 8.3.2 噪声系数噪声系数 噪声系数定义：线性四端网络输入端的信噪比与噪声系数定义：线性四端网络输入端的信噪比与输出端的信噪比之比值。输出端的信

2、噪比之比值。s是信号源电压，是信号源电压， n是信号源内阻是信号源内阻 sR的等效噪声源电压；的等效噪声源电压； LR是负载。是负载。 8.3.2sR是信号源内阻，是信号源内阻， 线件四端网络如图线件四端网络如图 8.3.18.3.1所示，图中所示，图中一、噪声系数一、噪声系数设输入端的信号功率为设输入端的信号功率为 siP，由信号源内阻产生的，由信号源内阻产生的噪声功率为噪声功率为 niP，而网络的输出端负载上所得到的信号，而网络的输出端负载上所得到的信号、 功率和噪声功率分别为功率和噪声功率分别为 soPnoP，噪声系数定义为，噪声系数定义为 siniFsonoPPNPP输入信噪比输出信噪

3、比或用或用dB表示为表示为 ()10lgsiniFdBsonoPPNPP 噪声系数通常只适用线性网络，因为非线性电路会产噪声系数通常只适用线性网络，因为非线性电路会产生信号和噪声的频率变换，噪声系数不能反映系统的附生信号和噪声的频率变换，噪声系数不能反映系统的附加噪声性能。加噪声性能。opiPGP则噪声系数可以改写为则噪声系数可以改写为 sinisinonoFsonosonipniPPP PPNPPPPG P式中，式中， pniG P为信号源内阻为信号源内阻 sR产生的噪声经过线性网络后产生的噪声经过线性网络后在输出端产生的噪声功率；在输出端产生的噪声功率；8.3.2若设线性网络的功率增益若设

4、线性网络的功率增益而线性网络输出端的总噪声功率而线性网络输出端的总噪声功率noP应等于应等于 pniG P和线性网络本身的噪声在输出端产生的噪声功率和线性网络本身的噪声在输出端产生的噪声功率anoP之和，即之和，即 nopnianoPG PP显然，显然， nopniPG P，故线性网络的噪声系数，故线性网络的噪声系数 FN总是大于总是大于1。 为了更清楚地了解网络产生的噪声，对信噪比的影为了更清楚地了解网络产生的噪声，对信噪比的影响，噪声系数又可表示为响，噪声系数又可表示为 1anopnianoFpnipniPG PPNG PG P （1）当线性网络本身不产生噪声，即当线性网络本身不产生噪声，

5、即 0anoP时，时， 1FN，故为无噪声的理性网络。，故为无噪声的理性网络。 （2）线性网络本身产生的噪声线性网络本身产生的噪声 anoP越大，噪声系数越大，噪声系数 FN越大。越大。 （3）线性网络的功率增益线性网络的功率增益 pG越大，噪声系数越大，噪声系数 FN越小。越小。8.3.2由上式可以得出下述结论：由上式可以得出下述结论： 这说明为了这说明为了降低网络的噪声系数应设法增大线性网降低网络的噪声系数应设法增大线性网络的功率增益。络的功率增益。 为了使信号源有最大输出功率，对于图为了使信号源有最大输出功率，对于图8.3.2所示的所示的网络，必须使放大器的输入电阻网络，必须使放大器的输

6、入电阻 iR与信号源内阻与信号源内阻 sR相匹相匹因而额定输入信号功率为因而额定输入信号功率为 24ssisVPR 额定输入噪声功率额定输入噪声功率 2444nsnisskTR BPkTBRR 8.3.2 为了计算和测量的方便，噪声系数也可以用额定功为了计算和测量的方便，噪声系数也可以用额定功率（率（Rated PowerRated Power）和额定功率增益的关系来定义。）和额定功率增益的关系来定义。所谓的所谓的额定功率是指信号源所能输出的最大功率。额定功率是指信号源所能输出的最大功率。isRR配，也即应使配，也即应使。 由上两式知，不管信号源内阻如何，它产生的额定由上两式知，不管信号源内阻

7、如何，它产生的额定噪声功率是相同的，其大小只与电阻所处的环境温度噪声功率是相同的，其大小只与电阻所处的环境温度T和和系统系统带宽带宽B B有关。有关。是为什么接收机采用低内阻天线的原因。是为什么接收机采用低内阻天线的原因。 而信号源额定功率却随着内阻而信号源额定功率却随着内阻sR的增加而减小，这也的增加而减小，这也 放大器的额定功率增益是指放大器（或线性网络）放大器的额定功率增益是指放大器（或线性网络）的输入端和输出端分别匹配（的输入端和输出端分别匹配（ 率增益，即率增益，即 sopHsiPGPisRR、 oLRR）时的功）时的功线性网络输出端的总噪声额定功率线性网络输出端的总噪声额定功率 n

8、oP同样应等于同样应等于 pHniGP和线性网络本身的噪声在输出端产生的额定噪声功率和线性网络本身的噪声在输出端产生的额定噪声功率 anoP之和，即之和，即 nopHnianoPGPP，所以噪声系数可以表示为，所以噪声系数可以表示为 1sipHnianoninoanoFsonipHnipHnipHnoPGPPPPPNPP GP GP GP 8.3.2将额定输入噪声功率式代入可得将额定输入噪声功率式代入可得 1noanoFpHpHPPNkTBGkTBG 假如，有两个四端网络级联，如图假如，有两个四端网络级联，如图8.3.3所示。它们所示。它们的噪声系数、额定功率增益、噪声带宽分别为的噪声系数、额

9、定功率增益、噪声带宽分别为 根据定义，级联网络的总噪声系数根据定义，级联网络的总噪声系数 FN为为 1 21 21 2nonoFpHnipHniPPNGPGkT B8.3.2二、多级放大电路的噪声二、多级放大电路的噪声2B2pHG， 1B、 ，并且，并且 12BBB。 、 1FN、 2FN1pHG， 式中，式中， noP是级联四端网络总输出的额定噪声功率。是级联四端网络总输出的额定噪声功率。 1 212pHpHpHGGG是级联网络总的额定功率增益。是级联网络总的额定功率增益。 由三部由三部noP分组成：分组成： 信号源内阻信号源内阻 sR产生的噪声经过两级放大后在输出端产生的噪声经过两级放大后

10、在输出端的噪声额定功率的噪声额定功率 12pHpHGGkTB； 第一级网络内部噪声第一级网络内部噪声 1anoP经第二级放大后在输出端经第二级放大后在输出端的噪声额定功率的噪声额定功率 21PHanoGP； 8.3.21 21 21 2nonoFpHnipHniPPNGPGkT B第二级网络的内部噪声输出端的噪声额定功率第二级网络的内部噪声输出端的噪声额定功率 2anoP故故 noP可表示为可表示为 12212nopHpHpHanoanoPGGkTBGPP由式由式 1noanoFpHpHPPNkTBGkTBG 可求得第一级、第二级可求得第一级、第二级网络的内部噪声网络的内部噪声 1anoP和和

11、 2anoP为为 1 21 21 2nonoFpHnipHniPPNGPGkT B111(1)anoFpHPNGkTB222(1)anoFpHPNGkTB8.3.2所以所以 21 2111FFFpHNNNG对于三级电路组成的级联网络，对于三级电路组成的级联网络，可将前两级看做第一级，后面一级看做第二级，则可得到可将前两级看做第一级，后面一级看做第二级，则可得到 1 2 3FN为为 3321 2 31 211 2112111FFFFFFpHpHpHpHNNNNNNGGGG同理，对同理，对n级电路组成的网络，总的噪声系数为级电路组成的网络，总的噪声系数为 321 2111212111FFnFFnF

12、pHpHpHpHpHpHnNNNNNGGGGGG8.3.2 若各级噪声系数小而额定功率增益大，级联电路的若各级噪声系数小而额定功率增益大，级联电路的由以上公式可得出如下结论：由以上公式可得出如下结论：8.3.2FN小。但是各级噪声对小。但是各级噪声对 的影响是不同的，的影响是不同的，FN总噪声系数总噪声系数越是靠近前面几级的噪声系数和额定功率增益对总的噪越是靠近前面几级的噪声系数和额定功率增益对总的噪声系数影响越大。因此级联电路中最主要的是前面的第声系数影响越大。因此级联电路中最主要的是前面的第一、二级，最关键的是由第一级放大器的噪声系数一、二级，最关键的是由第一级放大器的噪声系数1FN和额定

13、和额定功率增益功率增益 1pHG所决定。所决定。 三、等效噪声温度三、等效噪声温度 eT 把网络的内部噪声折算到其输入端时，使噪声源电把网络的内部噪声折算到其输入端时，使噪声源电阻所升高的温度称为等效噪声温度阻所升高的温度称为等效噪声温度 。 eT由于噪声源在网络输出端的额定噪声功率为由于噪声源在网络输出端的额定噪声功率为 nipHopHP GkT BG内部噪声在网络输出端的额定功率为内部噪声在网络输出端的额定功率为 。pHeGkT B所以网络的噪声系数所以网络的噪声系数FN可表示为可表示为 111peanoeFnipHpooG kT BPTNP GG kT BT 8.3.2噪声温度的定义是：

14、噪声温度的定义是：所以，等效噪声温度为所以，等效噪声温度为 (1)eFoTNT290K。 式中，式中， oT是标准温度，在一般情况下，可以认为是标准温度，在一般情况下，可以认为 oT当当 eT0时（网络内部无噪声），时（网络内部无噪声）， FNl， (dB)FN 0dB290K。（内部噪声等于外部噪声）时，。（内部噪声等于外部噪声）时， 当当 eT2， FN(dB)FN 3dB。 8.3.28.3.3 减小噪声系数的措施减小噪声系数的措施 在放大或其它电路中，电子器件的内部噪声起着重在放大或其它电路中，电子器件的内部噪声起着重要作用。因此，改进电子器件的噪声性能和选用低噪声要作用。因此，改进电

15、子器件的噪声性能和选用低噪声的电子器件，就能大大降低电路的噪声系数。的电子器件，就能大大降低电路的噪声系数。 根据上面讨论的结果，可提出如下减小噪根据上面讨论的结果，可提出如下减小噪声系数的措施：声系数的措施： 一、选用低噪声元、器件一、选用低噪声元、器件FN小的管子（可由手册查得，但小的管子（可由手册查得，但 必须是高频工作时必须是高频工作时的数值）。除采用晶体管外，目前还广泛采用场效应管的数值）。除采用晶体管外，目前还广泛采用场效应管做放大器和混频器，因为场效应管的噪声电平低，尤其做放大器和混频器，因为场效应管的噪声电平低，尤其是最近发展起来的砷化镓金属半导体场效应管是最近发展起来的砷化镓

16、金属半导体场效应管（MESFETMESFET），它的噪声系数可低到），它的噪声系数可低到0.50.5ldBldB。8.3.3br（ bbr）和噪声系数）和噪声系数 FN 对晶体管而言，应选用对晶体管而言，应选用 在电路中，还必须谨慎地选用其他能引起噪声的电在电路中，还必须谨慎地选用其他能引起噪声的电路元件，其中最主要的是电阻元件。宜选用结构精细的路元件，其中最主要的是电阻元件。宜选用结构精细的金属膜电阻。金属膜电阻。图图8.3.4可看出，对于不同的信号源内阻可看出，对于不同的信号源内阻 SR，最佳的，最佳的 EQI值也不同。值也不同。 图8.3.4 晶体管的 FN与 EQI的关系曲线 当然，当

17、然， FN还分别与晶体还分别与晶体管的管的 CBQV和和 CEQV有关。但通常有关。但通常 CBQV和和 CEQV对对 FN的影响不大。电压低时，的影响不大。电压低时， 略有下降。略有下降。 FN8.3.3 二、正确选择晶体管放大级的静态工作点二、正确选择晶体管放大级的静态工作点三、选择合适的信号源内阻三、选择合适的信号源内阻 SR信号源内阻信号源内阻 SR变化时，也影响变化时，也影响 的大小。当的大小。当 FNSR某一最佳值时，某一最佳值时， 可达到最小。可达到最小。 SR 根据上面的讨论，噪声电压都与通带宽度有关。根据上面的讨论，噪声电压都与通带宽度有关。接收机或放大器的带宽增大时，接收机或放大器的各接收机或放大器的带宽增大时，接收机或放大器的各种内部噪声也增大。因此，必须严格选择接收机或放种内部噪声也增大。因此，必须严格选择接收机或放大器的带宽，使之既不过窄，以能满足信号通过时对大器的带宽，使之既不过窄，以能满足信号通过时对失真的要求，又不致过宽，以免信噪比下降。失真的要求，又不致过宽，以免信噪比下降。 8.3.3四、选择合适的工作带宽四、选择合适的工作带宽 热噪声是内部