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1、通信电子电路 噪声与干扰特点和措施 本章教学内容 l1 1 噪声的来源和特点 l1 2 噪声的表示和计算 l1 3 降低噪声系数的措施 l1 4 干扰 l1 5 低噪声放大器 l总结 2 本章教学重点 l1 1 噪声的来源和特点 电阻的热噪声 l1 2 噪声的表示和计算 噪声系数 3 1 1 噪声的来源和特点 l噪声和干扰 噪声 noise 电路内部产生的无用信号 干扰 interference 来自电路外部的无用信号 l课外知识 噪声在无线通信中的影响 4 1 1 1 电阻的热噪声 定义 l电阻的热噪声是电阻内部的自由电子无规则热运 动形成许多持续时间极短的脉冲电流叠加的结果 电流总和为零
2、每一瞬时 电流在某一方向都 有一定数值 电流脉冲持续时间极短 因此热噪 声频谱很宽 又称白噪声 l衡量具有随机性的噪声不能直接将电流叠加 通 常以噪声电压均方值来衡量 5 1 1 1 电阻的热噪声 重要公式 l噪声的频域描述 功率谱或均方电压谱 均方电 压谱 单位电阻上的功率谱 l电阻两端产生的热噪声的均方电压谱密度为 6 其中k 1 38e 23 T 摄氏度 273 假定 系统工作频带 或测量带宽 为 f 则有 o4kTR与频率无关 所以热噪声也称白噪声 1 1 1 电阻的热噪声 噪声等效电 路 l依据诺顿定理 也即噪声的均方电流值为 7 o 电阻的噪声等效电路图如下 1 1 1 电阻的热噪
3、声 电阻的额定 噪声功率 l额定功率的简单定义 阻抗匹配时 网络输入输 出功率达到最大 即为额定功率 8 o 电阻R在负载上产生 的额定噪声功率 1 1 1 电阻的热噪声 噪声在网络 中的传递 等效噪声带宽 3dB带宽 l假定 分别表示输入 输出噪声均方电压 谱密度 表示传输函数 则有 9 o 等效噪声带宽BWn 将滤波器 传输函数 等效为积分面积相同 且H02一致的矩形滤 波器的带宽 1 1 1 电阻的热噪声 噪声在网络 中的传递 等效噪声带宽 3dB带宽 l3dB带宽 半功率点带宽 在滤波器3dB带宽边界 等于 的一半 l例题 例1 1 3 增加问题 图1 1 3b无噪声网络 的3dB带宽
4、和等效噪声带宽是多少 10 1 1 2 晶体管的噪声 l热噪声 基区体电阻 是主要噪声源 11 o 散粒噪声 由载流子通过PN结的随机性引起 又称 散弹噪声 散粒噪声是白噪声 也是电流噪声 所以低 噪声放大器中第一级的工作电流设计较小 1 1 2 晶体管的噪声 l分配噪声 由载流子在基区复合的随机性引起 工作频率越高 分配噪声越大 因此分配噪声不 是白噪声 l低频噪声 闪烁噪声或爆裂噪声 与晶体管表面 状态或内部缺陷有关 闪烁噪声强度与频率成反 比 又称 1 f噪声 12 1 1 3 场效应管的噪声 l沟道热噪声 主要源自沟道电阻 l栅极感应噪声 了解即可 非白噪声 l闪烁噪声 与晶体管的成因
5、类似 l栅极散粒噪声 其值比双极型晶体管小得多 13 1 1 3 场效应管的噪声 l双极晶体管和场效应管噪声的比较 14 噪声种类双极晶体管场效应管附 热噪声主要来自主要来自 散粒噪声有小或无栅极散粒噪声 分配噪声有无 栅极感应噪声小高频时场效应管栅极感 应噪声会变大 低频 闪烁 噪声有有 n 低频时 场效应管噪声小 无分配噪声 散粒 栅极感应噪声小 高频时场效应管噪声增大 有可能超过双极晶体管 栅极感应噪声变大 1 1 4 二极管的噪声 l二极管正偏 散弹噪声 低频范围还要考虑闪烁噪声 l二极管反偏 散弹噪声较小 齐纳型稳压管 l散弹噪声 l频率较低时也有1 f噪声 雪崩型稳压管 噪声大于齐
6、纳型稳压管 l除散弹噪声外还有多态噪声 15 1 1 5 天线噪声 l为工程方便 天线噪声统一用如下参数计算 辐射电阻 RA 等效噪声温度 Ta BWn 接收机等效噪声带宽 l当天线与接收机输入端匹配时 输入接收机的天 线噪声功率为 16 1 1 6 多个噪声源作用于电路时的计 算 l若各噪声源互不相关 总的均方电压等于各噪声 源均方电压之和 对k个噪声源有 17 o 互不相关噪声源的均方相加性质是计算噪声 电路的基本法则 o 课外知识 以上法则 相关信号相加 其总 功率增加的速度高于不相关信号信号相加时 的功率变化 在无线通信中的意义 1 2 噪声的表示和计算 l噪声对信号的影响 在电路某一
7、点上 通常用信 噪比 S N 表示 18 o 某电路从输入到输出注入的噪声需要用噪声 系数衡量 1 2 1 噪声系数 定义 l对线性四端网络 噪声系数F定义为 入信噪比 出信噪比 若用dB表示 NF 入信噪比 dB 出信噪比 dB l对于级联的多级放大器 假定每级噪声系数为F1 Fn 每级放大系数为Ap1 Apn 则级 联的总噪声系数为 19 o 该公式说明什么 1 2 1 噪声系数 公式的变形 l参考p19对变量Psi Pso Pni Pno Ap Pnio Pnao的定义 有 20 o 可见噪声系数的值 总是大于1的 仅理 想无噪声电路噪声 系数等于1 即0dB 1 2 1 噪声系数 计算
8、 l按定义计算 式1 2 1 21 1 2 1 噪声系数 计算 l额定功率法 l开路电压法和短路电流法 22 一个重要的例子 右图 求负载上的信噪比 结论 信号源与负载 连接 负载上的信噪 比与负载大小无关 1 2 1 噪声系数 计算 例1 2 1 l额定功率法 分别假定输入输出匹配 Rs R RL RL Rs R 进行计算 23 o 输入 输出匹配时 n 所以上式可化简为 1 2 1 噪声系数 计算 例1 2 1 l额定功率法 24 1 2 1 噪声系数 计算 例1 2 1 l开路电压法 25 1 2 1 噪声系数 计算 例1 2 1 l短路电流法 26 1 2 1 噪声系数 无源有耗网络的
9、 噪声系数 l网络匹配时 27 o 无源有耗网络的F也称为插入损耗 L 插损 o 注意 插损的级联计算与级联噪声系数公式 的矛盾 1 2 1 噪声系数 总结 l定义 注意与dB的转换 l记住级联放大噪声系数公式 l理解噪声系数公式的变形 l理解计算噪声系数方法的实质 由于信号源输出 信噪比与负载无关 可以对负载做出不同假定 假定负载开路 只计算均方电压比 假定负载短路 只计算均方电流比 假定负载匹配 利用额定功率计算 28 1 2 2 等效噪声温度 l将有噪线性网络的内部噪声视为信号源 内阻Rs处于温度Te时产生的噪声 而将 原网络看作理想无噪声网络 这个Te就 称为等效噪声温度 29 即 由
10、式 有 1 2 2 等效噪声温度 l级联网络等效噪声温度与噪声系数公式类似 30 n 引入等效噪声温度后 可以将网络噪声与等效噪 声温度为Ta的天线噪声 即信号源噪声 相加 作为总的输入噪声 而把网络看作是无噪的 当 信号源与网络输入端匹配时总的输入噪声功率为 n 引入等效噪声温度的另一个好处是为衡量网络噪 声性能提供更好的分辨率 参考表1 2 1 1 2 3 放大器的通用噪声等效电路 l考虑右图等效电路 计算噪声系数 31 1 2 3 放大器的通用噪声等效电路 32 1 2 4 噪声系数与灵敏度 l灵敏度 给定接收机要求的输出端信噪比的条件 下 接收机所能检测的最低输入信号电平 33 o 以
11、dB表示时 o 当Ta To 290K时 灵敏度为 1 3 降低噪声系数的措施 l选用低噪声元器件 l正确选择晶体管的直流工作点 l选择合适的信号源内阻 l选择合适的工作频带 l选用合适的放大电路 l降低前端热噪声 34 1 4 干扰 l工业干扰 通常是由产生电火花的装置引发的 如引擎点火系统 荧光灯 电动机的整流器 电器开关等 除直接辐射外 更主要的是沿电力线传输 从工业干扰的性质看 大都属于脉冲干扰 l天电干扰 自然界的雷电现象是天电干扰的主要来源 35 1 5 低噪声放大器 l低噪声放大器的主要性能指标是 低的噪声系数 NF 足够的线性范围 合适的增益 输入输出阻抗的匹配 衡量指标 反射
12、系数或驻波比 输入输出间良好的隔离 低电源电压和低功耗 对移动通信尤为重要 36 总结 1 1节 37 总结 1 2 1 5节 38 作业 39 o 1 1 1 o 1 2 1 o 1 2 3 补充内容 1 级联噪声系数的推导1 40 o 用公式F 1 Pnao Ap Pni 求出各级Pnao推导 则 该推导方法摘自 董在望 通信电路原理 第二版 131页 补充内容 1 级联噪声系数的推导2 41 o 利用等效噪声温度公式Te F 1 To推导 假定输入端匹配 则 第一级放大器的Pno为 即可将源端与第一级放大器总的噪声温度视为 则总的Pno为 级联噪声系数为 补充内容 2 计算如下网络的噪声系 数 42 o 利用额定功率法计算 谢 谢 43
