第2章噪声与干扰.ppt

1、第2章 噪声与干扰,2.1 概述 2.2 噪声 2.2.1 电阻热噪声 2.2.2 天线噪声 2.2.3 噪声系数 2.3 干扰 2.3.1工业干扰 2.3.2 天电干扰 2.4 发射机和接收机的主要性能指标,2.1 概述,噪声与干扰泛指有用信号以外的其它一切无用信号。,一般来说，噪声是指电路内部产生的无用信号；干扰则是指电路外部的无用信号。,噪声是一种随机信号，它来源于通信系统中的各元器 件，其频谱分布于整个无线电工作范围。,干扰可分为自然的和人为的干扰。自然干扰有天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等。人为干扰主要有工业干扰和无线电台的干扰。,噪声可分为外部的和内部的噪声。内部噪声主要有电阻热噪声

2、、晶体管噪声、场效应管噪声和天线噪声。,电阻热噪声是由电阻内部自由电子的热运动而产生的。,2.2 噪声 2.2.1 电阻热噪声,电阻热噪声是通信系统内部噪声的主要来源,产生机理：电阻中的带电微粒（自由电子）在一定温度下受到热激发后，在导体内部作无规则的运动而相互碰撞，两次碰撞之间行进时，就产生一持续时间很短的脉冲电流。许多这样的随机运动的电子所产生的这种脉冲电流的组合，就在电阻内部形成了无规律的电流。电流的方向是随机的，因而平均值为0，但电子的这种随机运动还会产生一个交流电流成分（起伏电流），这个交流成分称为热噪声。,由于电流脉冲的随机性，其大小方向均不确定，不能用它们的电流谱密度叠加，因此引

3、入功率谱密度,的概念。,8.1,表征电阻热噪声的特征，主要从以下两个方面考虑。,1、频谱,由于这些小电流脉冲的持续时间极短，因此它的频谱几乎占有整个无线电频段。,2、功率谱密度,均方值，单位是 dBmHz（dBm表示1mW功率）。,表示噪声的电流功率谱密度。,在频带宽度B内产生的热噪声电压均方值和电流的均方值分别为,理论和实践证明，当温度为T（K）时，阻值为R的电阻所产生的噪声电压功率谱密度和噪声电流功率谱密度分别为,注：电阻热噪声的功率谱密度在整个频率范围内都是均匀分布的，故常把热噪声称为白噪声或高斯噪声。,为便于运算，把电阻R看作一个噪声电压源（或电流源）和一个理想无噪声的电阻串联（或并联

4、），如图所示。,8.2.1,当实际电路中包含多个电阻时。每一个电阻都将引入一个噪声源。一般若有多个电阻并联时，总噪声电流等于各个电导所产生的噪声电流的均方值相加，如图 (a)；若有多个电阻串联时，总噪声电压等于各个电阻所产生的噪声电压的均方值相加，如图 (b)。,1、串联电阻的噪声等效电路,如果两个电阻的工作温度不同：,电阻网络的噪声功率的计算,2、并联电阻的噪声等效电路,其中：,2.2.2 天线噪声,接收天线位于接收机的最前端，并作为接收机的信号源，其噪声大小对通信质量有极大的影响 接收机天线的噪声除了其损耗元件所产生的热噪声外，还包含来自天空、大气的各种外部噪声，而且一般来说，后者远大于前

5、者。,天线噪声,对天线噪声的抑制,低温 提高天线增益和方向性 调整天线方位，避免强噪声源,2.2.3 噪声系数,信噪比越大，信号质量越好。 但信噪比不能反映网络对信号质量的影响，也不能表示网络本身噪声性能的好坏 引入噪声系数来描述或评价一个网络的噪声性能,一个实际网络的输出信号质量可以用输出信噪比来衡量,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。,或用dB表示为,噪声系数通常只适用线性网络,则噪声系数可以改写为,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,和线性网络本身的噪声在输出端产生的噪声功率,(网络的附加噪声功率）之和，即,为了更清楚地了解网络产生

6、的噪声，对信噪比的影响，噪声系数又可表示为,，故为无噪声的理想网络。,越大。,越小。,8.3.2,由上式可以得出下述结论：,这说明为了降低网络的噪声系数应设法增大线性网络的功率增益。,为了使信号源有最大输出功率，对于图所示的网络，必须使放大器的输入电阻,因而额定输入信号功率为,额定输入噪声功率,8.3.2,为了计算和测量的方便，噪声系数也可以用额定功率和额定功率增益的关系来定义。,所谓的额定功率是指信号源所能输出的最大功率。,由上两式知，不管信号源内阻如何，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T和系统带宽B有关。,是为什么接收机采用低内阻天线的原因。,放大器的额定功率增益

7、是指放大器（或线性网络）的输入端和输出端分别匹配（,率增益，即,噪声系数,无源四端网络噪声系数的简化表示,对于无源网络，当输入输出端均匹配时，其额定噪声输入、输出功率将满足,上式说明，无源网络的噪声系数等于其功率传输系数的倒数，或等于网络的衰减 L 。这是因为产生网络噪声的有损元件，正是导致网络传输信号衰减的因素。,举例：求长度为50 m，衰减量为0.082dB/m高频电缆的噪 声系数。,解：50 米电缆的总损耗为 L = 500.082 = 4.1 （dB） 故其对应衰减值为 NF= L = 2.57,级联网络的噪声,网络1,网络2,而级联网络的总的输出噪声功率为：,如令 为级联网络的总功率

8、增益：,依此类推，n级级联网络的总的噪声系数为：,上式说明：级联网络的噪声系数，主要由网络前级的噪声系数确定。前级的噪声系数越小，功率增益越高，则级联网络的噪声系数就越小。,则级联网络的等效噪声系数 为,例1：某接收机前端电路由混频和中放组成。已知混频器的噪声系数为7，功率传输系数为0.2,中放的噪声系数为3，功率增益 求级联后的噪声系数；若在混频器前加一高放，高放的噪声系数为3dB，增益为10dB，问此时级联后的噪声系数为多少？,解：第一种情况,第二种情况,例2：某接收机由高放、混频、中放三级电路级联组成。已知混频器的额定功率增益 ，噪声系数 ，中放噪声系数 ，高放噪声系数 。如要求加入高放

9、后使整个接收机总噪声系数降低为加入前的1/10，则高放的额定功率增 益 应为多少 ？,解：已知,1.未加高放时,2.加高放后噪声系数应为,又,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要作用。因此，改进电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。,根据上面讨论的结果，可提出如下减小噪声系数的措施：,一、选用低噪声元、器件,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，尤其是最近发展起来的砷化镓金属半导体场效应管（MESFET），它的噪声系数可低到0.5ldB。,8.3.3,在电路中，还必须谨慎地选用其

10、他能引起噪声的电路元件，其中最主要的是电阻元件。宜选用结构精细的金属膜电阻。,图可看出，对于不同的信号源内阻,，最佳的,值也不同。,8.3.3,二、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,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,热噪声是内部噪声的主要来源之一，所以降低放大器、特别是接收机前端主要器件的工作温度，对减小噪声系数是有意义的。对灵敏度要求特别高的设备

11、来说，降低噪声温度是一个重要措施。,8.3.3,共发一共基级联的放大器、共源 一共栅级联的放大器都是优良的高稳定和低噪声电路。,五、选用合适的放大电路,六、热噪声,2.3 干扰,信号在传输过程中，不可避免地会受到各种无用信号 的干扰，这些干扰是限制通信系统性能的主要因素。,自然干扰：包括天电干扰、宇宙干扰和大地干扰。,人为干扰：包括工业干扰和无线电台的干扰。,2.3.1 工业干扰,工业干扰是由各种电气装置中发生的电流（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所产生的。 例如：马达、电焊机、高频电气装置、电疗机、X光机、电气开关等。 从工业干扰的性质来看，它们大都属于脉冲干扰。,2

12、.3.2 天电干扰,天电干扰的来源：自然界的雷电现象、带电的雨雪和灰尘的运动，以及它们对天线的冲击。 天电干扰的性质：脉冲性质。,2.4 发射机和接收机的主要性能指标,2.4.1 发射机的主要指标 发射机的主要指标包括：功率与效率、发射频率与频率稳定度、发射信号频谱纯度和频带宽度。,功率与效率：发射机的功率决定信号传输的距离,发射频率与频率稳定度：发射机的中心频率即载波频率，发射机的频率稳定度指载波频率的准确性和稳定性。,发射信号的频谱纯度：要求发射机发出的已调信号必须与调制信号的频谱呈线性关系,发射机频带宽度：指为保证某种发射信息的速率和质量所需占用的频带宽度容许值，以赫（Hz）、千赫（KHz）、兆赫（