北京邮电大学《通信电子电路》第1章_噪声与干扰_唐恬

通信电子电路——噪声与干扰北京邮电大学——信息与通信工程学院唐恬[e-mail]2009-2010学年第2学期2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰2本章教学内容1.1噪声的来源和特点1.2噪声的表示和计算1.3降低噪声系数的措施1.4干扰1.5低噪声放大器总结2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰3本章教学重点1.1噪声的来源和特点电阻的热噪声1.2噪声的表示和计算噪声系数2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰41.1噪声的来源和特点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课外知识：噪声在无线通信中的影响2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰51.1.1电阻的热噪声——定义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；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)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：___2201lim()TnnTeetdtT2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰61.1.1电阻的热噪声——重要公式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电阻两端产生的热噪声的均方电压谱密度为：2()4(/)SfkTRVHz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Δf，则有：___24nekTRf4kTR与频率无关，所以热噪声也称白噪声24nnEekTRf2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰71.1.1电阻的热噪声——噪声等效电路依据诺顿定理：也即噪声的均方电流值为：______222nneiR2ni2ne电阻的噪声等效电路图如下：___2___224nneikTGfR2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰81.1.1电阻的热噪声——电阻的额定噪声功率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。电阻R在负载上产生的额定噪声功率：2114222nnLekTRfPkTfRRR2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰91.1.1电阻的热噪声——噪声在网络中的传递、等效噪声带宽、3dB带宽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：()()ioSfSf、()Hf2()()()oiSfSfHf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Of2()Hf20Hf0BWn2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰101.1.1电阻的热噪声——噪声在网络中的传递、等效噪声带宽、3dB带宽3dB带宽(半功率点带宽)：在滤波器3dB带宽边界，等于的一半例题：例1.1.3，增加问题：图1.1.3b无噪声网络的3dB带宽和等效噪声带宽是多少？2()Hf20H2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰111.1.2晶体管的噪声热噪声：基区体电阻是主要噪声源'___24nbbekTrf'bbr散粒噪声：由载流子通过PN结的随机性引起，又称“散弹噪声”：0()2ISfqI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2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰121.1.2晶体管的噪声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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”2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰131.1.3场效应管的噪声沟道热噪声：主要源自沟道电阻：栅极感应噪声：了解即可，非白噪声闪烁噪声：与晶体管的成因类似栅极散粒噪声：其值比双极型晶体管小得多___24nmikTgf2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰141.1.3场效应管的噪声双极晶体管和场效应管噪声的比较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'bbrmg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)2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰151.1.4二极管的噪声二极管正偏：散弹噪声低频范围还要考虑闪烁噪声二极管反偏（散弹噪声较小）：齐纳型稳压管：散弹噪声频率较低时也有1/f噪声雪崩型稳压管（噪声大于齐纳型稳压管）除散弹噪声外还有多态噪声2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰161.1.5天线噪声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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：___24naAnekTRBW___24nanAekTBWR2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰171.1.6多个噪声源作用于电路时的计算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：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____________222212nnnnkeeee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2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰181.2噪声的表示和计算噪声对信号的影响，在电路某一点上，通常用信噪比(S/N)表示:10signal/dBnoise10logSN功率（）功率某电路从输入到输出注入的噪声需要用噪声系数衡量噪声性能？/iiSN/ooSN2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰191.2.1噪声系数——定义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)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：1010log()NFFdB32111212(1)111nppppppnFFFFFAAAAAA该公式说明什么？2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰201.2.1噪声系数——公式的变形//1sininononaoniososonopninionnonaonionioisiPPPPPPFPPPAPPPPPPPP参考p19对变量Psi、Pso、Pni、Pno、Ap、Pnio、Pnao的定义，有：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0dB2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰211.2.1噪声系数——计算按定义计算(式1.2.1)～RsRLRvs222()/()44()sLLsLsissnisLsLVRRRRRRRPVkTRfPkTRfRRRRR222/4()4()sLLsLsossnosLsLVRRRRRPVkTRRfPkTRRfRRRR/1sisoninosssPPFPPRRRRR2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰221.2.1噪声系数——计算额定功率法开路电压法和短路电流法一个重要的例子(右图)：求负载上的信噪比～Rs2neRL～vs结论：信号源与负载连接，负载上的信噪比与负载大小无关2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰231.2.1噪声系数——计算：例1.2.1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～RsRLRvs//simnimsomnomPPFPP输入，输出匹配时，所以上式可化简为：nomnimPPkTf/simsomFPP2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰241.2.1噪声系数——计算：例1.2.1额定功率法～RsRLRvs/1simsomsRFPPR24ssimsVPRsomP24()ssVRR2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰251.2.1噪声系数——计算：例1.2.1开路电压法～RsRLRvs______22/nonioFee___24()nosekTRRf___24niosekTRf______22/1noniosRFeeR2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰261.2.1噪声系数——计算：例1.2.1短路电流法～RsRLRvs______22/nonioFii___24/()nosikTfRR___224/()niossikTRfRR______22/1noniosRFiiR2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰271.2.1噪声系数——无源有耗网络的噪声系数网络匹配时：～RsRLRvs//1simnimsomnomnompmnimpmPPFPPPLAPA无源有耗网络的F也称为插入损耗(L，插损)注意：插损的级联计算与级联噪声系数公式的矛盾？！2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰281.2.1噪声系数——总结定义。注意与dB的转换记住级联放大噪声系数公式理解噪声系数公式的变形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2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰291.2.2等效噪声温度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～RssvTo+Te无噪网络(1)naonainipPPFPA1naopniPFAP即：(1)eokTfFkTf(1)eoTFT由式：有2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰301.2.2等效噪声温度级联网络等效噪声温度与噪声系数公式类似：22111212(1)eeeneepmpmpmpmpmpmnTTTTTAAAAAA＋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：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()ninimaePPkTTf2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰311.2.3放大器的通用噪声等效电路考虑右图等效电路，计算噪声系数222222()inisnisisnisZeeeZRZRiZR222inssisZeeZR2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声与干扰321.2.3放大器的通用噪声等效电路222222222114ninnsnssnnsseeiRFeeeiRkTRf22/ssoptnnRRei=22min212nnneiFkTfe2009-2010学年第2学期通信电子电路——噪声