通信电子电路第1章_噪声与干扰

第一章：噪声与干扰信息与通信工程学院1学习资料共享学习资料共享（百度云盘）：用户名：北邮通电密码：tongdian2内容提要内容提要由电路内部产生的无用信号称为内部噪声，简称噪声噪声和干扰泛指除有用信号以外的其他一切无用信号，将极大影响电子设备的性能指标：来自电路外部的无用信号称为外部噪声，通常也称为干扰本章主要讨论自然噪声：噪声的来源和特点噪声的表示和计算干扰和噪声都具有随机性3电阻热噪声的来源与特点第一节：噪声的来源和特点由电阻内部的自由电子无规则的热运动产生，又称为起伏噪声：是许多持续时间极短的脉冲电流叠加的结果长时看总和为零，但在每一瞬时电流在某一方向都有一定数值频率范围很宽，可认为是“白噪声”tOI0ItOI4电阻热噪声的大小(一)第一节：噪声的来源和特点噪声电压的均方值：2201lim()TnnTeetdtT可看做是噪声电压在单位电阻上消耗的平均功率功率谱密度：单位频带内的功率()Sf电阻热噪声电压的功率谱密度：()4(/)SfkTRWHz231.3810/kJK波尔兹曼常数T为热力学温度R为电阻的阻值5电阻热噪声的大小(二)第一节：噪声的来源和特点()4(/)SfkTRWHz若系统工作频带(或测量噪声功率时的频带宽度)为，则电阻热噪声电压的均方值为：f24nekTRf有效值为：24nnEekTRf实际电路中的电阻建模形式：24/nikTfRABRAB()R理想2ne1/()GR理想AB2ni6电阻热噪声的额定噪声功率第一节：噪声的来源和特点()R理想2nvLR易知当噪声源的负载与其内阻匹配时，噪声源能够实现最大功率传输LRR对于实数阻抗网络来说，当时，nPkTf该功率又被称为噪声源的资用功率(availablepower)：仅与噪声源本身有关，与负载无关，表示噪声源输出功率的最大能力与电阻本身的大小无关，仅与温度和系统带宽有关2/4MSSPVR7例题第一节：噪声的来源和特点放大器的工作带宽为2MHz，信号源电阻为，当工作温度为，电压增益为，输入信号有效值为时，试计算输出信号有效值(有用信号和噪声)，假定放大器所产生的噪声及其它噪声可以忽略20027C2005V236441.38103002102002.57inVkTRfV200512002.570.514oinoinVAVmVVAVmV8等效噪声带宽第一节：噪声的来源和特点22200()()|()|()()|()|oinoiSfSfHfvSfdfSfHfdf若输入信号为白噪声：222200200|()||()|niiHfdfvSHfdfSHH定义线性系统的等效噪声带宽为：2020|()|nHfdfBWH传递函数为()Hf()iSf()oSff2()Hf20H0fnBW()iSfff2()()iHfSf()oSf0f则有：22020|()|nininvSHfBWSHBW等效噪声带宽与输入噪声无关，而由传递函数决定有频响的线性网络使白噪声变成有色噪声0.7(1)2nBWBW到9例题第一节：噪声的来源和特点设下图中的电容为无损耗电容，求输出端噪声电压的均方值RCRC()Sf2nv2nv无噪声RC网络的传递函数为：1()12HfjfRC故222001()|()|41(2)nkTvSfHfdfkTRdffRCC等效噪声带宽为：202200|()|111(2)4nHfdfBWdfHfRCRC10电抗元件的热噪声？第一节：噪声的来源和特点理想电抗元件不产生热噪声实际的电感和电容，由于存在一定的损耗电阻或漏电导，而被认为是有噪元件电感的损耗电阻一般不能忽略电容的损耗电阻通常可以忽略11晶体管的噪声(一)第一节：噪声的来源和特点晶体管噪声的来源有如下四种：热噪声晶体管三个区的体电阻和引线电阻均会产生热噪声。其中为主要噪声源'bbr散粒噪声(散弹噪声)由于载流子随机通过PN结，使得不同的瞬间发射极或集电极电流在平均值上下作不规则的起伏变化而形成0()2ISfqI其电流功率谱密度为：散粒噪声也是与频率无关的白噪声，但其大小与平均电流值成正比。故在低噪声放大器中，第一级的工作电流设计得较小0I12晶体管的噪声(二)第一节：噪声的来源和特点分配噪声由于载流子在基区复合的随机性，造成集电极和基极电流的随机波动而引起的噪声，也是电流噪声低频噪声包括闪烁噪声(噪声)及爆裂噪声，通常与晶体管表面状态或内部缺陷有关1/f闪烁噪声的特点是在低频(几千赫以下)区域，其噪声强度显著增加，且随频率降低而升高，大体上与频率成反比工作频率越高，分配噪声越大闪烁噪声是低频电子线路的主要噪声源，也存在于其它元器件中13场效应管的噪声第一节：噪声的来源和特点沟道热噪声由导电沟道中多子不规则的热运动而产生，是场效应管的主要噪声源栅极感应噪声产生原因与双极型晶体管大致相同24ndmikTgf沟道热噪声通过栅极电容的耦合，在栅极上感应而产生噪声，其值随功率频率及的增高而变大gsCgsC闪烁噪声(噪声)1/f栅极散粒噪声由栅极内电荷的不规则起伏引起14二极管的噪声第一节：噪声的来源和特点二极管正偏状态正偏状态下的二极管也存在散弹噪声，在低频范围内还需要考虑其闪烁噪声二极管反偏状态由于反向饱和电流较小，故散弹噪声较小反偏工作状态下主要针对稳压二极管齐纳型稳压管主要呈现的是散弹噪声，在频率较低时也有闪烁噪声雪崩型稳压管的噪声较大，除散弹噪声外还有由于PN结内的缺陷和不均匀性而造成的多态噪声15天线噪声(一)第一节：噪声的来源和特点天线欧姆电阻产生的噪声，通常可忽略接收外来噪声能量主要包括接收周围介质辐射的噪声能量和各种外界环境噪声，与其周围的介质温度、天线的指向及频率有关接收天线端口噪声的两个来源：用天线的辐射电阻在温度产生的热噪声来表示天线的噪声性能：ARaT24naAnekTRBWaT：天线的等效噪声温度，不一定等于天线周围的温度当天线与接收机输入端匹配时，额定噪声功率为：24nninimanAePPkTBWR16天线噪声(二)第一节：噪声的来源和特点天线的环境噪声是指大气电离层的衰落和天气的变化等因素引起的自然噪声，以及来自太阳、银河系和月球的无线电辐射产生的宇宙噪声。环境噪声是不稳定的，在空间的分布也是不均匀的。例如，自然噪声随季节、昼夜时间以及频率的变化都将发生变化；通常，银河系的辐射较强，其主要影响在米波段以下，长期观测表明，这种影响是稳定的；太阳的影响最大又极不稳定，它与太阳的黑子变化等有关17多个噪声源作用于电路时的计算第一节：噪声的来源和特点若各噪声源是互不相关的，即各噪声源中任一噪声源在某特定时间上的噪声电压的瞬时值与另一噪声源在该时间上的数值大小无关，则总输出噪声功率等于各自输出功率之和222212nnnnkeeee否则需要考虑噪声源之间的相关系数18信噪比的定义第二节：噪声的表示和计算从噪声对信号影响的效果来看，不在于噪声电平的绝对值的大小，而在于信号功率与噪声功率的相对值所以在电路的某一点上，常用信号功率与噪声功率的比值(即信噪比)来表示噪声对有用信号的影响/SN线性网络iSiNoNoS信噪比不能表示从输入到输出电路在信号中注入了多少噪声19噪声系数的定义第二节：噪声的表示和计算即网络输入端的信噪比和输出端信噪比的比值线性网络iSiNoNoS//sinisonoPPFPP10lg()NFFdB///sininononosononisosinipnioPPPPPFPPPPPPAPpA：电路对信号的功率增益nioP：输入噪声经过电路后，在电路输出端产生的噪声功率nonaopninaonioPPAPPPnaoP：电路内部噪声在输出端产生的噪声功率11naonionaonaonioniopniPPPPFPPAP20噪声系数的定义(例)第二节：噪声的表示和计算设某放大器的功率增益，其固有噪声功率。分别计算和时的噪声系数之值10lg20pAdB10naoPW1niPW10niPW解：10111.11001naopniPFAP(1)niifPW100pA(10)niifPW10111.0110010naopniPFAP故为使噪声系数有一个确切的定义，输入噪声功率一般规定为信号源内阻产生的热噪声功率21噪声系数示例第二节：噪声的表示和计算NF频率特性曲线噪声系数等值线图。可见噪声系数还和放大器的工作条件有关22级联电路的噪声系数第二节：噪声的表示和计算iSiN1oN1oS11pFA2oN2oS22pFA...oNoSnpnFA32111212(1)111nppppppnFFFFFAAAAAA影响级联放大器噪声性能的主要因素是第一级的噪声系数及其功率增益23级联电路噪声系数公式的证明？噪声系数的计算方法(一)第二节：噪声的表示和计算按定义计算///sininononosononisosinipnioPPPPPFPPPPPPAP11naonionaonaonioniopniPPPPFPPAP0sR2neLRsv信噪比与负载的关系2202220()sLsLsosononnLsLVRRRPVSNPeeRRR即信号源加上负载后的信噪比与负载大小无关24噪声系数的计算方法(二)第二节：噪声的表示和计算额定功率法由信噪比与负载的关系可知，可用额定功率表示实际功率//sinisonoPPFPP所谓额定功率是指网络的输入、输出端都达到阻抗匹配，输入和输出功率达到最大/1/simnimnomnaomsomnompmnimpmnimPPPPFPPAPAP式中各参数均为匹配条件下的取值25噪声系数的计算方法(例一)第二节：噪声的表示和计算0sRsvLRR额定功率法0001simssomssPRRRFPRR输出端的等效戴维南电路参数为：'0,ssosVVRRR20'220444()ssimssssomosVPRVVPRRRnimnomPPkTf26噪声系数的计算方法(三)第二节：噪声的表示和计算开路电压法和短路电流法噪声系数也可表示成输出端开路时的两均方电压之比或输出端短路时的两均方电流之比//sinisonoPPFPP2222nononionioviFFvi或22,nonovi：分别为网络输出端开路和短路时总的输出噪声均方电压和均方电流22,nioniovi：分别为网络输出端开路和短路时理想网络的输出噪声均方电压和均方电流///sininononosononisosinipnioPPPPPFPPPPPPAP27噪声系数的计算方法(例二)第二节：噪声的表示和计算0sRsvLRR开路电压法204()nosvkTfRR22044naoniosvkTfRvkTfR2222011nonaosnioniovvRFRvv短路电流法204noskTfiRR22020204()4()naossnioskTRfiRRkTRfiRR2222011nonaosnionioiiRFRii0sRR20nse2nre0sRR20nsi2nri0sRR2nri2naoi0sRR2nioi20nsi28噪声系数的计算方法(四)第二节：噪声的表示和计算无源有耗网络的噪声系数//sinisonoPPFPP0sR2neLR无源四端网络pmA使用额定功率法：//simnimnomsomnompmnimPPPFPPAP对于输入、输出端均匹配的无源有耗网络，其nomnimPPkTf1nompmnimpmPFLAPA29级联电路的噪声系数(例)第二节：噪声的表示和计算totalAtotalNF图中，A为衰减器（无源有耗网