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1、第二章第二章 噪声与非线性失真噪声与非线性失真噪声噪声限制了系统所能处理的限制了系统所能处理的最低最低信号电平信号电平非线性失真非线性失真限制了系统所能处理的限制了系统所能处理的最高最高电平电平本章主要内容本章主要内容:一一. .噪声噪声1. 起伏噪声的起伏噪声的基本特性基本特性2.2.电子器件内部噪声的电子器件内部噪声的来源及等效电路来源及等效电路3. 衡量系统噪声性能的衡量系统噪声性能的指标指标噪声系数与等效噪声温度噪声系数与等效噪声温度二二. 非线性非线性1.1.非线性器件的非线性器件的描述方法描述方法2.2.器件非线性器件非线性对对线性放大器线性放大器的的影响及衡量指标影响及衡量指标3
2、.非线性器件在非线性器件在频谱搬移频谱搬移中的中的应用应用2.1 起伏噪声起伏噪声描述起伏噪声的描述起伏噪声的几个重要概念：几个重要概念：起伏噪声的起伏噪声的特点特点（以电阻热噪声为例）：（以电阻热噪声为例）：随机性、电流脉冲持续时间短、平均值为零随机性、电流脉冲持续时间短、平均值为零（1）频谱频谱 极宽，几乎占据整个无线电频段极宽，几乎占据整个无线电频段（2）功率谱密度功率谱密度 单位单位：dBm/Hz 频带频带 内的内的功率功率：噪声噪声电压均方值电压均方值 噪声噪声电流均方值电流均方值电流功率谱密度电流功率谱密度电压功率谱密度电压功率谱密度 和和 代表单位电阻上的功率代表单位电阻上的功率
3、（3 3）等效噪声带宽等效噪声带宽白白噪声噪声: 是常数是常数输入输入功率谱密度功率谱密度系统系统传递函数传递函数输出输出功率谱密度功率谱密度白白噪声噪声通过线性系统通过线性系统噪声通过噪声通过线性系统线性系统等效噪声带宽等效噪声带宽定义定义系统系统总输出噪声总输出噪声2.2 电路器件的噪声电路器件的噪声1. 功率谱密度功率谱密度电流电流电压电压白白噪声噪声3. 有噪有噪电阻的串并联电阻的串并联2. 等效电路等效电路串联串联 无噪电阻无噪电阻R串噪声电压源串噪声电压源并联并联无噪电阻无噪电阻R并噪声电流源并噪声电流源2.2.1 电阻的热噪声及等效电路电阻的热噪声及等效电路有噪有噪电阻电阻（B为
4、系统为系统带宽带宽）4. 额定噪声功率额定噪声功率条件条件: 噪声源与系统匹配噪声源与系统匹配NAB与噪声源电阻与噪声源电阻R大小无关大小无关与噪声源温度有关与噪声源温度有关特点特点1 . 基区电阻基区电阻 热噪声热噪声 白噪声白噪声2. 散粒噪声散粒噪声功率谱密度功率谱密度1. 沟道电阻热噪声沟道电阻热噪声 3. 闪烁噪声闪烁噪声 噪声噪声2.2.2 双极型晶体管的噪声双极型晶体管的噪声 3. 噪声等效电路噪声等效电路2.2.3 场效应管的噪声场效应管的噪声2. 噪声等效电路噪声等效电路2.2.4 2.2.4 电抗元件的噪声电抗元件的噪声电抗元件的噪声来源于它的损耗电阻电抗元件的噪声来源于它
5、的损耗电阻热噪声热噪声2.2.2.5 两端口网络的等效输入噪声源两端口网络的等效输入噪声源 等效等效串联串联噪声噪声电压源电压源 并联并联噪声噪声电流源电流源 输入端输入端短路短路，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值 输入端输入端开路开路，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值 求法：求法：例例2.2.12.2.1：如图所示，场效应管放大器的场效应管输出噪声电流为如图所示，场效应管放大器的场效应管输出噪声电流为负载电阻负载电阻 的热噪声是的热噪声是 。解：解：（1 1）首先求放大器的增益首先求放大器的增
6、益放大器交流等效电路如图示，放大器交流等效电路如图示，电压增益电压增益（2）求放大器总输出噪声求放大器总输出噪声求：求：该放大器对应的等效输入噪声源该放大器对应的等效输入噪声源 和和 放大器（4）求等效输入噪声求等效输入噪声电流源电流源输入端开路输入端开路此时输出端的噪声均由此时输出端的噪声均由 产生：产生：则则不不考虑考虑负载噪声负载噪声（3 3）求等效输入噪声求等效输入噪声电压源电压源输入端短路输入端短路此时输出噪声均由此时输出噪声均由 产生，则：产生，则：不不考虑考虑负载噪声负载噪声和和 是是相关相关的的 2.3 2.3 噪声系数噪声系数2.3.1 2.3.1 噪声系数定义噪声系数定义
7、有噪有噪 网络网络2.3.2 .3.2 噪声系数与等效输入噪声源的关系噪声系数与等效输入噪声源的关系信号源信号源外输入噪声源外输入噪声源输入信噪比输入信噪比内部噪声源内部噪声源 和和输出输出噪声功率噪声功率输出输出信号功率信号功率信号源信号源输出信噪比输出信噪比 1对对噪声系数的理解噪声系数的理解有噪网络的噪声系数一定大于有噪网络的噪声系数一定大于1噪声系数与网络内部噪声大小有关噪声系数与网络内部噪声大小有关网络的噪声系数与外部源噪声有关网络的噪声系数与外部源噪声有关与源与源噪声温度噪声温度 T 有关有关测量噪声系数时，规定标准噪声温度测量噪声系数时，规定标准噪声温度 T0=290k 噪声匹配
8、噪声匹配噪声系数最小噪声系数最小最佳源内阻最佳源内阻与源与源内阻内阻R 有关有关其中其中 网络总输出噪声电压均方值网络总输出噪声电压均方值该网络的该网络的电压增益电压增益例例2.3.12.3.1：图示的两端口网络只是一个电阻，求该网络的噪声系数。图示的两端口网络只是一个电阻，求该网络的噪声系数。 VO解解: 根据公式根据公式一个网络一个网络 的噪声系数又可以表示为的噪声系数又可以表示为该网络的该网络的电压增益电压增益为为:VO求网络总输出噪声电压均方值求网络总输出噪声电压均方值等效噪声电路如图等效噪声电路如图 根据根据噪声系数定义噪声系数定义有有:结论结论：小，小，噪声系数小噪声系数小，与与功
9、率最大传输功率最大传输共共轭匹配匹配不同不同在带宽在带宽B 内输出内输出噪声电压均方值噪声电压均方值为为:2.3.3.3 无源有耗网络的噪声系数无源有耗网络的噪声系数分析条件分析条件:输入、输出端均匹配输入、输出端均匹配已知：已知：无源有耗网络的损耗为无源有耗网络的损耗为 L带宽为带宽为B根据根据噪声系数的定义噪声系数的定义结论：结论：无源有耗网络的无源有耗网络的噪声系数噪声系数在数值上等于在数值上等于它的损耗它的损耗 信号源内阻信号源内阻 产生的额定噪声功率为产生的额定噪声功率为 输出电阻输出电阻 产生的额定噪声功率为产生的额定噪声功率为 2.4 2.4 等效噪声温度等效噪声温度 条件：条件
10、：有噪线性网络、有噪线性网络、 产生白噪声、匹配产生白噪声、匹配2.4.1.4.1等效噪声温度定义等效噪声温度定义定义：定义：将网络视为无噪，其内部噪声折合到输入源端，将网络视为无噪，其内部噪声折合到输入源端， 视为由某电阻在温度视为由某电阻在温度 时产生的白噪声时产生的白噪声有噪网络输出噪声有噪网络输出噪声和等效噪声温度的关系和等效噪声温度的关系2.4.2 2.4.2 等效噪声温度与噪声系数的关系等效噪声温度与噪声系数的关系已知条件已知条件: 网络带宽网络带宽 B、 、源端匹配源端匹配 、设设网络为无噪，网络为无噪，总输入噪声总输入噪声为为信号源输入噪声信号源输入噪声为：为：总输出噪声总输出
11、噪声为为由由噪声系数定义噪声系数定义或或2.5 2.5 多级线性网络级联的噪声系数多级线性网络级联的噪声系数已知；已知；各级间均匹配，带宽均为各级间均匹配，带宽均为B额定功率增益、噪声系数额定功率增益、噪声系数等效噪声温度等效噪声温度第一级输入第一级输入噪声功率噪声功率 第一级的输出第一级的输出噪声功率是噪声功率是第二级输出第二级输出噪声功率是：噪声功率是：求：总噪声系数求：总噪声系数 、等效噪声温度等效噪声温度两级总的输出两级总的输出噪声功率又可表示为噪声功率又可表示为 所以所以相等相等多级线性网络级联总噪声系数多级线性网络级联总噪声系数2. 2. 增大第一级的增益增大第一级的增益可以减少后
12、级对系统噪声系数的影响可以减少后级对系统噪声系数的影响1. 1. 系统前级、特别是第一级的噪声系数系统前级、特别是第一级的噪声系数对系统影响最大对系统影响最大结论：结论：2.6 2.6 非线性器件的描述方法非线性器件的描述方法非线性器件非线性器件大大信号时会引起信号时会引起失真失真能能完成完成频谱搬移频谱搬移各种功能各种功能1.1.用解析函数描述用解析函数描述2.6.1 非线性器件的描述方法非线性器件的描述方法 -描述器件的伏安特性描述器件的伏安特性指数函数指数函数双极型晶体管双极型晶体管饱和区饱和区 -平方律平方律场效应管场效应管差分放大器差分放大器双曲双曲正切函数正切函数2. 幂级数描述幂
13、级数描述代入代入特点特点: : 呈非线性呈非线性 系数与工作点有关系数与工作点有关在在工作点处将伏安特性工作点处将伏安特性偏置偏置决定工作点决定工作点展开为幂级数展开为幂级数3. 3. 分段折线描述分段折线描述适用条件适用条件: : 大信号输入大信号输入二极管二极管差分放大器差分放大器2.6.2 2.6.2 线性化参数线性化参数适用条件适用条件: : 输入为小信号输入为小信号输入输入: :输出输出: :静态电流静态电流 = 信号电流信号电流线性电路不产生新的频率线性电路不产生新的频率线性化参数线性化参数-跨导跨导仅与仅与工作点有关工作点有关放大器增益放大器增益与与信号大小无关信号大小无关2.7
14、 2.7 器件非线性的影响器件非线性的影响 研究有源器件的非线性研究有源器件的非线性对线性放大器对线性放大器的影响的影响分分两种情况两种情况讨论讨论只有只有一个一个有用信号输入有用信号输入有有两个两个以上输入以上输入研究内容研究内容出现的现象、名称定义；出现的现象、名称定义； 衡量性能的指标。衡量性能的指标。2. 增益压缩增益压缩（Gain Compression）特点：特点：考虑对基波分量的影响考虑对基波分量的影响（只考虑到三次方只考虑到三次方）基波信号电流：基波信号电流：基波信号电流基波信号电流幅度幅度：平均跨导：平均跨导：基波信号电流：基波信号电流：基波增益基波增益：输出电流：输出电流：
15、线性线性 非线性非线性 仅与放大器工作点仅与放大器工作点 不仅与工作点有关不仅与工作点有关 有关有关 而且与输入信号幅度有关而且与输入信号幅度有关跨导跨导基波电流基波电流失真项失真项常数常数 与信号幅度有关与信号幅度有关增益增益非非线性线性增益压缩增益压缩线性线性增益压缩指标增益压缩指标1dB压缩点压缩点增益压缩增益压缩当当 0 0 时时，放大器增益放大器增益随信号增大而减小随信号增大而减小线性增益线性增益与器件类型和放大器工作点有关与器件类型和放大器工作点有关 增益增益1dB压缩点计算：压缩点计算：2.7.2 2.7.2 输入端有两个以上信号输入端有两个以上信号设输入两个信号设输入两个信号：
16、 由于非线性由于非线性结果结果：出现：出现基波基波谐波谐波 被选频回路滤除被选频回路滤除组合频率组合频率 在基频附近的无法滤除在基频附近的无法滤除问题：问题：对对基波输出基波输出有什么影响？有什么影响？基波分量：基波分量：(仅考虑到仅考虑到三次方三次方）二次方产生的组合频率二次方产生的组合频率不在基频附近，被滤除不在基频附近，被滤除不在基频附近，被滤除不在基频附近，被滤除在在基频附近基频附近三次方项产生的组合频率为三次方项产生的组合频率为 1. 堵塞堵塞（Blocking） 输入状况：输入状况：输入的有用信号输入的有用信号 为为弱信号弱信号， 而另一个信号而另一个信号 是是强干扰强干扰信号。信
17、号。 平均基波跨导平均基波跨导一般有一般有 0有用信号的有用信号的跨导跨导随干扰随干扰增大而减小增大而减小增益增益随干扰信号随干扰信号增大而减小增大而减小严重严重基波电流为零信号被基波电流为零信号被堵塞堵塞指标指标强信号堵塞强信号堵塞 60dB70dB有用信号基波有用信号基波简化简化（忽略增益压缩项忽略增益压缩项）2. 交叉调制交叉调制（Cross Modulation） 输入情况输入情况:强干扰是调幅波强干扰是调幅波幅度幅度有用信号幅度有用信号幅度干扰信号幅度干扰信号幅度交叉调制现象交叉调制现象: 干扰信号幅度转移到有用信号幅度上干扰信号幅度转移到有用信号幅度上结果结果: 当有用信号是调幅波
18、时当有用信号是调幅波时,解调后解调后,会听到干扰台的串话音会听到干扰台的串话音输出有用信号基波输出有用信号基波3. 互相调制（互相调制（IntermodulationIntermodulation） 输入状况输入状况:两个输入信号的频率两个输入信号的频率 、 比较接近比较接近非非线性线性输出电流输出电流组合频率组合频率 、 很接近基波，滤波器无法滤除很接近基波，滤波器无法滤除 特点特点:基波幅度基波幅度三阶三阶互调互调互调信号幅度互调信号幅度互调失真衡量指标互调失真衡量指标1. 互调失真比互调失真比输出互调输出互调与与输出基波输出基波之比之比 设设 ( (即输入信号较小，可忽略增益压缩即输入信
19、号较小，可忽略增益压缩） 互调失真电压幅度比互调失真电压幅度比:互调失真功率比互调失真功率比:设：两信号输入幅度均为设：两信号输入幅度均为输出基波：输出基波：输出互调：输出互调：2. 三阶互调截点三阶互调截点 (third-order intercept point) 定义定义:三阶互调三阶互调截截点点为为三阶互调功率和基波功率三阶互调功率和基波功率相等的点相等的点 由由三阶截点三阶截点dB 与与 dBm某些量的两种表示某些量的两种表示自然表示自然表示dB表示表示 dB表示的量是无量纲的，是比值。表示的量是无量纲的，是比值。 电压比的系数是电压比的系数是20，功率比是，功率比是10注意注意1.
20、 dB电压电压增益增益功率功率增益增益噪声系数噪声系数 F=4 功率比功率比当当输入输出输入输出阻抗相同阻抗相同时时,用用dB 表示的功率增益、电压增益表示的功率增益、电压增益数值相同数值相同dB(功率功率)10logdBWdBmdB（电压电压）dBVdBmVdBV2. dBm与与dBmV注意注意 dBm对应功率对应功率 dBmV对应电压对应电压 电压、功率的系数不同电压、功率的系数不同表示的量表示的量有单位有单位采用采用dB的优点的优点将将乘法运算变为加法乘法运算变为加法GP1GP2注意注意 dB dB与与dBdB可加减，但不能乘除可加减，但不能乘除 dBmdBm与与dBmdBm不可相加，但
21、可以相减，结果为不可相加，但可以相减，结果为dBdB dBdB与与dBmdBm间可加减，结果为间可加减，结果为dBm dBm GPPiPo例例: :已知已知一放大器的三阶互调截点一放大器的三阶互调截点 , ,当当输入功率输入功率 求求: :在此输入功率下的互调失真比在此输入功率下的互调失真比 时时,解解:在三阶互调截点处在三阶互调截点处由由则互则互调调失真比失真比用用分贝表示分贝表示当当 时时,互调干扰在射频系统中出现的形式互调干扰在射频系统中出现的形式(接收接收)相邻信道相邻信道1相邻信道相邻信道2(发射的强信号发射的强信号)互调互调1dB压缩点与三阶截点的关系压缩点与三阶截点的关系即增益压
22、缩点的输入（或输出）电平即增益压缩点的输入（或输出）电平要比三阶截点电平低约要比三阶截点电平低约1010dB dB 均由均由器件的三次方引起器件的三次方引起2.7.3 多级非线性级级联特性多级非线性级级联特性讨论讨论: :系统总的非线性与每一级的非线性关系系统总的非线性与每一级的非线性关系 两级两级公式公式:理解理解: : 1.1.当系统的每一级均有增益时，当系统的每一级均有增益时， 系统的总的三阶互调截点输入功率总是小于每一级的系统的总的三阶互调截点输入功率总是小于每一级的 2.前级的增益越高前级的增益越高,总系统的三阶互调输入功率越小总系统的三阶互调输入功率越小2.8 2.8 非线性器件在
23、频谱搬移中的应用非线性器件在频谱搬移中的应用非线性器件非线性器件引起线性放大器失真引起线性放大器失真能能完成频谱搬移功能完成频谱搬移功能谐波、组合频率谐波、组合频率增益压缩、互调失真增益压缩、互调失真什么是频谱搬移？什么是频谱搬移？1. 两信号混频两信号混频混频混频滤波器滤波器或或2. 调制调制调制调制滤波器滤波器3. 解调解调解调解调低通滤波器低通滤波器同步信号同步信号结论：结论：频谱搬移是产生两信号的频谱搬移是产生两信号的和频和频与（或）与（或）差频差频理想的频谱搬移电路乘法器理想的频谱搬移电路乘法器频谱搬移的频谱搬移的特点：特点：被搬移的信号被搬移的信号频谱结构频谱结构不不发生发生变化变
24、化非线性器件实现频谱搬移非线性器件实现频谱搬移非线性器件的非线性器件的二次方项二次方项就可就可实现实现两信号的两信号的相乘相乘解决方法：解决方法：（1 1）从器件的特性考虑从器件的特性考虑 采用采用平方律平方律特性特性无高次项无高次项（2 2）从电路考虑采用从电路考虑采用平衡电路结构平衡电路结构形式形式 - -抵消干扰抵消干扰（3 3）从输入电压的大小考虑，采用从输入电压的大小考虑，采用线性时变工作线性时变工作状态状态 三次方及三次方以上的各高次方项产生的三次方及三次方以上的各高次方项产生的组合频率组合频率 对频谱搬移来说都是对频谱搬移来说都是干扰干扰 其中其中由于由于存在问题：存在问题：非线
25、性器件用于频谱搬移的非线性器件用于频谱搬移的最大问题最大问题是是组合频率太多组合频率太多线性时变工作状态线性时变工作状态对对什么而言是线性什么而言是线性 ？什么是时变什么是时变 ？工作条件：工作条件：频谱搬移的两个输入信号频谱搬移的两个输入信号 一个是小信号，一个是大信号一个是小信号，一个是大信号在在时变工作点展开时变工作点展开静态偏置静态偏置大大信号信号时变偏置时变偏置时变偏置时变偏置时变工作点时变工作点在在时变工作点展开时变工作点展开现现工作点工作点是随是随 时变时变的，所以的，所以 也是随也是随 时变的时变的 时变的含义时变的含义:展开项的系数展开项的系数 随大信号变化随大信号变化的变化
26、频率与大信号的变化频率与大信号 的频率的频率 相同相同小小信号信号时变偏置时变偏置代入：代入：得：得： 时变时变静态电流静态电流（静态与小信号静态与小信号 无关无关）时变时变跨导跨导 将输入信号将输入信号 转变为输出电流的能力转变为输出电流的能力 最最重要的两个系数重要的两个系数当当 与与 均是非线性时均是非线性时,可以展开为可以展开为:重复重复频率频率均是大信号频率均是大信号频率为什么是线性为什么是线性?线性是对线性是对小信号小信号 而言而言特点特点:仅仅包含小信号包含小信号 的线性项的线性项,不不含含 的谐波的谐波忽略忽略 二次方以上各项二次方以上各项( 很小很小)对对输出电流输出电流频谱
27、搬移功能频谱搬移功能频谱频谱:（ ）（）（ ）频谱搬移频谱搬移干扰频率干扰频率以上的以上的组合频率组合频率成分成分 线性时变工作的优点线性时变工作的优点：干扰频率中减少了小信号：干扰频率中减少了小信号 的的2.9 2.9 灵敏度与动态范围灵敏度与动态范围有源器件有源器件噪声决定了放大器可放大的噪声决定了放大器可放大的最低输入最低输入电平电平非线性引起失真决定了放大器可非线性引起失真决定了放大器可 放大的放大的最高输入最高输入电平电平2.9.1 2.9.1 灵敏度灵敏度接收机前端接收机前端解调器解调器定义：定义：在给定接收机的解调器前端所要求的在给定接收机的解调器前端所要求的最低信噪比条件下，最
28、低信噪比条件下， 接收机所能检测的接收机所能检测的最低输入电平最低输入电平（功率）（功率）灵敏度与什么有关？灵敏度与什么有关？天线噪声温度天线噪声温度接收机前端接收机前端解调器解调器灵敏度计算灵敏度计算以以dB表示表示当当 时时此时灵敏度：此时灵敏度：称称基底噪声基底噪声 描述了系统的总噪声描述了系统的总噪声 系统的系统的基底噪声越大基底噪声越大 要求要求输出的信噪比越高输出的信噪比越高（输出信号质量好），（输出信号质量好）， 为保证此输出质量所要为保证此输出质量所要输入的信号最低电平就越高输入的信号最低电平就越高， 即即灵敏度越低灵敏度越低。结论：灵敏度为结论：灵敏度为2.9.2 2.9.2
29、 动态范围动态范围影响最小输入电平的因素影响最小输入电平的因素基底噪声基底噪声影响最大输入电平的因素影响最大输入电平的因素非线性失真非线性失真定义方法定义方法接收机（或放大器）接收机（或放大器）动态范围动态范围允许的允许的最大输入最大输入电平电平允许的允许的最小输入最小输入电平电平在在输出端产生的输出端产生的三阶互调输出三阶互调输出折合到折合到输入端输入端等于噪声基底等于噪声基底1.线性动态范围线性动态范围1dB压缩点压缩点对应的输入电平对应的输入电平灵敏度（或基底噪声）灵敏度（或基底噪声）2. 无杂散动态范围无杂散动态范围灵敏度（或基底噪声）灵敏度（或基底噪声）（ 是系统功率增益）是系统功率增益）已知接收机已知接收机 ， 求求无杂散动态范围的公式无杂散动态范围的公式求求无无杂散动态范围定义中的杂散动态范围定义中的由于由于当当 时时最小输入电平取灵敏度最小输入电平取灵敏度以以dB表示的公式表示的公式根据定义根据定义例例 已知某接收机解调器前的射频子系统已知某接收机解调器前的射频子系统三阶截点三阶截点是是子系统带宽子系统带宽是是 天线等效噪声温度天线等效噪声温度为为T0噪声系数噪声系数是是解调器要求输入的解调器要求输入的信噪比信噪比是是求：求：此子系统的此子系统的无杂散动态范围无杂散动态范围解：基底噪声为解：基底噪声为代入公式代入公式
