《噪声功率谱密度及其工程应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《噪声功率谱密度及其工程应用.docx（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、噪声功率谱密度及其工程应用页眉噪声功率谱密度及其工程应用页脚页眉目录（一）噪声的根源与种类1. 自然界噪声2. 人为噪声3. 电路噪声（二）噪声量值1. 尼奎斯特定理2. 资用热噪声功率3. 资用噪声功率譜密度4. 噪声温度5. 噪声系数（F）和等效噪声温度（Te）的关系1）噪声系数定义2）多级级联放大器的噪声系数3）噪声系数（F）和等效噪声温度（Te）的换算关系6系统的噪声功率譜密度（三）噪声功率谱密度的工程应用1. 噪声功率谱密度在工程上的适意图义2. 用噪声功率譜密度来核算各级信号噪声电平的设计实例3. 用噪声功率譜密度的丈量来剖析、计算、判断系统敏捷度的前提和注意事项页脚页眉(一）噪声
2、的根源与种类噪声是一种自然现象。是物质的一种运动形式。广义上，噪声就是搅乱或搅乱实用信号的不希望的扰动。它使经过网络传输的信号遇到搅乱或使之失真。研究表示，常有的噪声是由大批短促脉冲叠加而成的随机过程，它切合概率论的规律，能够用统计方法进行办理。在雷达、通信、电视和丈量等无线电系统中，噪声分为内部和外面两类。内部噪声是指设施内部各样器件、零件产生的热噪声、霰弹噪声等，也称电路噪声；外面噪声则指宇宙和大气辐射的自然界噪声以及各样电器产生的人为噪声。噪声内部外面噪声噪声自然界人为电路噪声噪声噪声大气宇宙散弹噪声噪声噪声热噪声页脚噪声系统图页眉1、自然界噪声1）大气噪声大气噪声又称天电噪声。当雷雨天
3、带电云层之间的电位差足够高时，便出现“闪电”现象。这种放电现象也可发生在云层和大地之间。业已发现，地球相关于电离层的电位为负300000V。这是因为宇宙射线老是在给大气层充电。往常，云层底部带负电，云层下方的大地带正电。因为大地和云层间极大的电压，以致了放电的产生。但“闪电”时的巨大火花惹起的噪声对频次为30MHz以上的信号的传输影响较小。2）宇宙噪声这种噪声来自太阳和银河系的星体。它们产生的噪声是这些星体的高温辐射惹起的，其辐射的譜密度在相当宽的频次范围内都是均匀的。常用于监测距地球很多光年的天体的信息及系统G/T值的丈量。2、人为噪声电器点火系统产生火花时便形成了人为噪声。比如，电源开关通
4、断时产生的火花、发电机的电枢旋转时电刷和整流子之间产生的电弧等均是人为噪声源。3、电路噪声1）热噪声热噪声是指处于必定热力学状态下的导体中所出现的无规则页脚页眉电涨落，它是由导体中自由电子的无规则热运动惹起,其大小取决于物体的热力学状态。电阻中的热噪声是一种大批短促脉冲叠加而成的随机过程，其均匀值等于零，热噪声电压的刹时价和均匀值都没法计量。所以，虽不可以写出这一过程的数学表达式，但经过理论剖析和实验表示，噪声过程恪守概率论的规律。可用统计的方法进行描绘。往常用均方电压、均方电流或功率来描绘热噪声的大小。在噪声计量测试中，依据电阻产生热噪声的原理，已成立了绝对噪声标准并研制成了各样热噪声发生器
5、。除电阻热噪声外，气体放电管放电时也产生热噪声。它是因为气体放电时等离子区中电子无规则热运动惹起的，噪声功率的大小由放电气体的性质、压力和放电管的直径等决定。气体放电管噪声发生器的输出功率十分稳固。在微波频段宽泛用作次级标准噪声源。2）散弹噪声散弹噪声又称散粒噪声。它是由有源器件（如真空管、P-N结晶体管等）中的直流电流或电压随机起伏惹起的。在真空二极管中，电子由阴极发射向板极运动形成电流。因为阴极在每一瞬时发射的电子数目、电子发射的时间和速度的无规则性，以致二极管的板流在某一均匀值邻近起伏，其均匀值的大小取决于阴极资料、尺寸和温度，而电流的起伏就是散弹噪声。同真空二极管同样，当P-N结加上正
6、向直流电压后，由无数载流子（电子或空穴）的迁徙形成电流流动。因为各个载流子的速度不页脚页眉同，以致在单位时间内经过P-N结空间电荷区的载流子数目不完整同样，因此惹起经过P-N结的电流在某一均匀电平上的无规则起伏，亦即形成P-N结二极管的散弹噪声。应该指出，有源或无源器件产生热噪声，而散弹噪声仅产生于有源器件之中。散弹噪声能够经过无源器件，但它一定先在有源器件中产生。（二）噪声量值1、尼奎斯特定理前已指出，电阻中的热噪声是一种大批短促脉冲叠加而成的随机过程，其均匀值等于零。所以，热噪声电压的刹时价和均匀值都没法计量。可是热噪声电压的均方值却完整能够确立。它的数学关系式为U2n=4kTRB（11）
7、式中k1,3810-23焦耳/K（波尔兹曼常数）T电阻温度（K）R电阻（）B接收带宽（Hz）这就是尼奎斯特定理,它表示在一个小的带宽B内处于热力学温度T的电阻R所产生的热噪声开路电压均方值的大小。由式（11）可见，一个有噪声电阻R能够等效为一个无噪声电阻R与一个噪声电压源U2n的串连或等效为一个无噪声电阻R页脚页眉和一个噪声电流源I2n的并联.。电阻热噪声的等效电路以下：R2RInU2n(a)等效电压源（b）等效电流源当几个电阻串连时，采纳等效电压源电路较为方便；并联时，则采纳等效电流源电路较为方便。2、资用热噪声功率资用功率是单端口网络所能传输到负载上的最大功率。依据尼奎斯特定理，温度为T的
8、电阻R在带宽B内产生的资用热噪声功率是指传输到共轭般配负载上的功率：2UnPn2RKTB从上式可见，该功率仅与信号发生器的特征相关，与负载无关。页脚页眉3、资用噪声功率譜密度因为噪声是一种电的随机过程，能够利用傅立叶剖析的方法把时域中的噪声电压或电流变换成频次的函数。这样，各样频次成份组成频谱，该频谱的幅度称为譜密度。它是描绘噪声特征的一个重要量值。经过傅立叶剖析能够看出，热噪声和散弹噪声均拥有连续、均匀的频谱散布，拥有白噪声特征。不一样之处在于散弹噪声拥有非零均匀值，且处于非均衡状态，其大小由均匀电流决定。噪声功率譜密度定义为单位带宽内、1电阻上所耗费的均匀噪声功率，并用Wn(f)表示，单位
9、为W/Hz。所以，噪声电压均方值与功率譜密度之间存在着以下关系2fUn0Wn(f)dfWn(f)B故电阻热噪声的功率譜密度为Wn(f)UB2n 4KTR因而可知，电阻热噪声的功率譜密度与电阻R、温度T成正比，与工作频次没关。同时，还与电阻上的外加电压或电流无关(因为外加电压对电阻中电子热运动的影响很小)。资用噪声功率譜密度n（f）定义为单位带宽内的资用噪声功率。所以一个温度为T的电阻R所供给的资用噪声功率譜密度为:页脚页眉(f)PnnBKT4、噪声温度依据尼奎斯特定理：单端口网络的噪声温度等于产生与单端口网络同样的噪声功率时，电阻所处的物理温度Tn，即Tnnk但是，一定注意，单端口网络的噪声温
10、度其实不必定是物理温度。比如，饱和二极管噪声发生器的噪声温度不是指它自己所处的物理温度。噪声温度是人们商定的噪声功率譜密度的单位。并以热力学温度单位开尔文（K）表示。往常，资用噪声功率譜密度在10181023W/Hz量级，即（150200）dBm/Hz.。关于噪声温度为290K的单端口网络，其资用噪声功率譜密度约为41021W/Hz，相当于174dBm/Hz.，可见，单位W/Hz对资用噪声功率来说太大了，使用起来不太方便，故引入了噪声温度的观点。5、噪声系数（F）和等效噪声温度（Te）的关系1）噪声系数定义页脚页眉（1）IRE噪声系数定义在特定的输入频次f上,定义二端口线性网络的噪声系数F（f
11、）为下述两个噪声功率之比：a) 当，在相应的输入频次上，输出端获取的单位带宽的总噪声功率Nt;b) 仅由处于290K的输入端，在该输入频次上所产生的传到输出端的单位带宽的噪声功率Ns即F（f）=Nt/Ns上述定义的点噪声系数F（f）描绘了线性网络在单调工作频次上的噪声性能，是一个理想观点。它要求测试设施拥有单位带宽是十分困难的。所以，一般所说噪声系数在不另加说明时均指均匀噪声系数。依据尼奎斯特定理，处于标准噪声温度的输入端产生的资用噪声功率为KT0B,设网络的资用功率增益为G。于是，噪声系数可写为NoFGT0B式中No输入端在全部频次上均为290K时，输出端的总资用噪声功率。（2）Friis对噪声系数的定义当规定输入端温度处于290K时，噪声系数为输入端信号-噪声功率比与输出端信号-噪声功率比二者的比值，即页脚页眉Si/NiFSo/No式中Si-网络输入端资用信号功率Ni-网络输入端资用噪声功
