通信电子电路噪声与干扰.pptx

内容提要内容提要内内容容提提要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1第1页/共44页电阻热噪声的来源与特点电阻热噪声的来源与特点第第一一节节：噪噪声声的的来来源源和和特特点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”2第2页/共44页电阻热噪声的大小电阻热噪声的大小(一一)第第一一节节：噪噪声声的的来来源源和和特特点点噪声电压的均方值：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 ：单位频带内的功率电阻热噪声电压的功率谱密度：波尔兹曼常数T为热力学温度R为电阻的阻值3第3页/共44页电阻热噪声的大小电阻热噪声的大小(二二)第第一一节节：噪噪声声的的来来源源和和特特点点若系统工作频带(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：有效值为：实际电路中的电阻建模形式：4第4页/共44页电阻热噪声的额定噪声功率电阻热噪声的额定噪声功率第第一一节节：噪噪声声的的来来源源和和特特点点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对于实数阻抗网络来说，当 时，该功率又被称为噪声源的资用功率(available power)：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5第5页/共44页例题例题第第一一节节：噪噪声声的的来来源源和和特特点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6第6页/共44页等效噪声带宽等效噪声带宽第第一一节节：噪噪声声的的来来源源和和特特点点若输入信号为白噪声：定义线性系统的等效噪声带宽为：则有：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7第7页/共44页例题例题第第一一节节：噪噪声声的的来来源源和和特特点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无噪声RC网络的传递函数为：故等效噪声带宽为：8第8页/共44页电抗元件的热噪声？电抗元件的热噪声？第第一一节节：噪噪声声的的来来源源和和特特点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9第9页/共44页晶体管的噪声晶体管的噪声(一一)第第一一节节：噪噪声声的的来来源源和和特特点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10第10页/共44页晶体管的噪声晶体管的噪声(二二)第第一一节节：噪噪声声的的来来源源和和特特点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11第11页/共44页场效应管的噪声场效应管的噪声第第一一节节：噪噪声声的的来来源源和和特特点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 的增高而变大闪烁噪声(噪声)栅极散粒噪声由栅极内电荷的不规则起伏引起12第12页/共44页二极管的噪声二极管的噪声第第一一节节：噪噪声声的的来来源源和和特特点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13第13页/共44页天线噪声天线噪声(一一)第第一一节节：噪噪声声的的来来源源和和特特点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：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：14第14页/共44页天线噪声天线噪声(二二)第第一一节节：噪噪声声的的来来源源和和特特点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15第15页/共44页多个噪声源作用于电路时的计算多个噪声源作用于电路时的计算第第一一节节：噪噪声声的的来来源源和和特特点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否则需要考虑噪声源之间的相关系数16第16页/共44页信噪比的定义信噪比的定义第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算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17第17页/共44页噪声系数的定义噪声系数的定义第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算即网络输入端的信噪比和输出端信噪比的比值：电路对信号的功率增益：输入噪声经过电路后，在电路输出端产生的噪声功率 ：电路内部噪声在输出端产生的噪声功率18第18页/共44页噪声系数的定义噪声系数的定义(例例)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算设某放大器的功率增益 ，其固有噪声功率 。分别计算 和 时的噪声系数之值解：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19第19页/共44页噪声系数示例噪声系数示例第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算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20第20页/共44页级联电路的噪声系数级联电路的噪声系数第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算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21级联电路噪声系数公式的证明？第21页/共44页噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法(一一)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算按定义计算信噪比与负载的关系即信号源加上负载后的信噪比与负载大小无关22第22页/共44页噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法(二二)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算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式中各参数均为匹配条件下的取值23第23页/共44页噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法(例例一一)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算额定功率法输出端的等效戴维南电路参数为：24第24页/共44页噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法(三三)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算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：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：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25第25页/共44页噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法(例例二二)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算开路电压法短路电流法26第26页/共44页噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法(四四)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算无源有耗网络的噪声系数使用额定功率法：对于输入、输出端均匹配的无源有耗网络，其27第27页/共44页级联电路的噪声系数级联电路的噪声系数(例例)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算图中，A为衰减器（无源有耗网络），B为放大器，假定A、B均处于匹配状态，试计算该级联电路的增益 及噪声系数 28第28页/共44页噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法(五五)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算噪声系数与网络内部噪声大小有关噪声系数与以下因素有关：噪声系数与输入噪声的大小或者说与信号源噪声温度有关测量网络的噪声系数时，规定信号源内阻取标准噪声温度，即：网络噪声系数还与信号源内阻有关，因此存在使网络噪声系数最小的最佳源阻抗29第29页/共44页噪声系数的计算方法噪声系数的计算方法(六六)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算在进行计算时，无论是电压与电流转换，还是分压系数与分流系数，都要是平方关系一般情况下：分析串联形式的电路用开路电压法较简单分析并联形式的电路用短路电流法较方便当电路较复杂时，用额定功率法较为简便，但需注意额定功率法只适用于无源网络噪声系数的概念仅适用于线性网络30第30页/共44页等效噪声温度等效噪声温度(一一)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算将有噪声线性网络的内部噪声折算到电路输入端，此内部噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效，即将其视为信号源内阻 处于温度 时产生的噪声，而将原网络看做理想无噪声网络，这个 就称为等效噪声温度推导可得：多级级联网络的等效噪声温度公式请自行查看课本31第31页/共44页等效噪声温度等效噪声温度(二二)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算当系统与前端匹配时，可将等效噪声温度与信号源内阻的噪声温度叠加，从而实际处理时比较方便，此时有：其中 为信号源噪声的等效噪声温度等效噪声温度比较适合描述噪声系数接近1的部件，原因在于其提供了比较高的分辨率32第32页/共44页放大器的通用噪声等效电路放大器的通用噪声等效电路(一一)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算假定所有噪声具有相同的频谱，且无相关性各参数的含义说明：在输入端短路和开路情况下，分别测量输出端的噪声均方根值，便可通过折算求出噪声系数推导可得：33第33页/共44页放大器的通用噪声等效电路放大器的通用噪声等效电路(二二)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算当 时，当信号源内阻为使噪声系数最小的最佳信号源内阻时，电路本身产生的噪声功率相对于信号源内阻产生的噪声功率，其影响达到最小，但是并不说明输出端的信噪比一定最大34第34页/共44页噪声系数与灵敏度噪声系数与灵敏度(一一)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算当要求一定的输出信噪比时，噪声性能决定了输入端必需的信号功率灵敏度就是在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：接收机天线的等效噪声温度 ：接收机的噪声系数 ：标准噪声温度，即290K ：接收机带宽 ：接收机所要求的输出信噪比35第35页/共44页噪声系数与灵敏度噪声系数与灵敏度(二二)第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算当 时，灵敏度为：例：设接收机带宽为1MHz，噪声系数为20dB，若希望输出信噪比为10dB，则灵敏度为：36第36页/共44页例例第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算如图所示放大器及输入信号，设放大器的带宽BW=300kHZ，试求：输入信噪比输出信号功率输出噪声功率输出信噪比输入信噪比：输出信号功率：37第37页/共44页例例第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算如图所示放大器及输入信号，设放大器的带宽BW=300kHZ，试求：输入信噪比输出信号功率输出噪声功率输出信噪比放大器内部噪声等效到输入端的功率为：38第38页/共44页例例第第二二节节：噪噪声声的的表表示示和和计计算算如图所示放大器及输入信号，设放大器的带宽BW=300kHZ，试求：输入信噪比输出信号功率输出噪声功率输出信噪比若根据NF的定义求：原因在于测量放大器的噪声系数时规定输入信号源为标准噪声温度To，而本题不满足此条件39第39页/共44页降低噪声系数的措施降低噪声系数的措施第第三三节节：降降低低噪噪声声系系数数的的措措施施选用低噪声元器件正确选择晶体管的直流工作点选择合适的信号源内阻选择合适的工作频带选择合适的放大电路降低热噪声40第40页/共44页干扰干扰第第四四节节：干干扰扰请自行阅读课本41第41页/共44页低噪声放大器的性能特点低噪声放大器的性能特点第第五五节节：低低噪噪声声放放大大器器低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)是射频接收机前端的主要部件，主要有以下几个特点：噪声越小越好。要求其有一定的增益，但其增益又不宜过大线性范围大、增益最好可调节其输入端必须很好地与天线或天线滤波器匹配，以达到功率最大传输或有最小的噪声系数，并能保证滤波器的性能应具有一定的选频性能主要性能指标：低噪声系数、足够的线性范围、合适的增益、输入/输出阻抗的匹配、输入/输出间良好的隔离等42第42页/共44页低噪声放大器的结构特点低噪声放大器的结构特点第第五五节节：低低噪噪声声放放大大器器无论采用何种工艺、器件，其电路结构都差不多，均由晶体管、偏置、输入匹配和负载四大部分组成，其设计的基本特点是：共源-共栅级联增大输入/输出间的隔离双端输入/输出改善线性源极电感负反馈或共栅组态实现输入阻抗匹配合理设置偏置元件和偏置值改善噪声输出采用LC回路选频和阻抗变换43第43页/共44页感谢您的观看！第44页/共44页