现代通信噪声精.ppt

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1、现代通信噪声第1页，本讲稿共31页1.随即变量：信号与噪声都具有随即变量：信号与噪声都具有“随机随机”特性特性2.随机过程：物理过程连续纪录随机过程：物理过程连续纪录 X(t)3.随机样本：某一组实验数据随机样本：某一组实验数据 一、随机过程一、随机过程第2页，本讲稿共31页 1.概率分布函数概率分布函数如果随机变量如果随机变量 X(t)，t1时刻取值时刻取值 X1(t1)x1 的概率的概率 P(X1(t1)时时，莱斯分布莱斯分布 高斯分布高斯分布*正弦波（幅度正弦波（幅度 A）加噪声信号，检波后输出）加噪声信号，检波后输出 符合上述规律。符合上述规律。第9页，本讲稿共31页 1.统计统计平均

2、（平均（Statistical Average）均值（数学期望、统计平均）均值（数学期望、统计平均）*代表随机过程的代表随机过程的“摆动摆动”中心；中心；*对于离散信号对于离散信号 均方值均方值*有些物理量有些物理量“均值均值”等于零，难于表述其特点，等于零，难于表述其特点，宜采用均方值；宜采用均方值；四、概率统计的数学特征四、概率统计的数学特征第10页，本讲稿共31页 均方差均方差 *体现了某时刻取值对于均值的偏差；体现了某时刻取值对于均值的偏差；*当当 mx=0 时，时，x2=E x2 ，若，若 x 为电压为电压，x2 具有功具有功率量纲。率量纲。第11页，本讲稿共31页2.时间平均（时间

3、平均（Average）平均值平均值 均方值均方值 方差方差 第12页，本讲稿共31页例如：假定随机过程例如：假定随机过程其中，其中，为为随机量（随机量（对应对应相位噪声）相位噪声）假定，假定，（0 2）均匀分布；）均匀分布；求：均值求：均值解：解：=0*实际应用中，常常对上述常见分布函数讨论均值、实际应用中，常常对上述常见分布函数讨论均值、均方值、均方；均方值、均方；第13页，本讲稿共31页 噪声：噪声：“广义广义”（信号以外的干扰）（信号以外的干扰）“狭义狭义”（各种随机干扰）（各种随机干扰）散粒噪声、热噪声、散粒噪声、热噪声、1/f 噪声噪声 4.噪声与噪声的量度噪声与噪声的量度第14页，

4、本讲稿共31页 1.肖特基公式：肖特基公式：e 电子电量、电子电量、I0 电流平均值、电流平均值、B系统带宽系统带宽 *公式表示噪声电流是随机变量公式表示噪声电流是随机变量 2.散粒噪声功率谱密度：散粒噪声功率谱密度：*此公式此公式 适用范围适用范围 100MHz（与器件的（与器件的“度越时间度越时间”有关）有关）一一.散粒噪声：有源器件的典型噪声散粒噪声：有源器件的典型噪声第15页，本讲稿共31页 电子热运动造成方向不定的电子热运动造成方向不定的“热电流热电流”，满足，满足“波波耳兹曼耳兹曼”热力学统计热力学统计 1.均方值：均方值：k 波耳兹曼常数、波耳兹曼常数、T 绝对温标、绝对温标、R

5、 电阻、电阻、B 系统带宽系统带宽 功率谱密度：功率谱密度：*热噪声与温度成正比，不可避免（精密测量需要超低温）；热噪声与温度成正比，不可避免（精密测量需要超低温）；*公式适用范围较宽（公式适用范围较宽（01013Hz）*热噪声的等效电路（戴维宁定理）热噪声的等效电路（戴维宁定理）（诺顿定理）（诺顿定理）RUSRIS 二二.热噪声：热噪声：第16页，本讲稿共31页 *具体电路计算具体电路计算 每个电阻看成噪声源，按电路规律叠加；每个电阻看成噪声源，按电路规律叠加；先计算等效电阻，在求出噪声功率；先计算等效电阻，在求出噪声功率；*对于对于 R-L-C 网络：先计算网络：先计算 Z(或或Y)R+j

6、 X 例如：例如：此时噪声功此时噪声功率密度与频率率密度与频率有关有关第17页，本讲稿共31页 定义：若噪声功率密度与频率无关，则可以称之为定义：若噪声功率密度与频率无关，则可以称之为“白噪声白噪声”；特性：白噪声功率谱可以表示成特性：白噪声功率谱可以表示成 *白噪声的白噪声的“自相关函数自相关函数”为为(t)函数函数 三三.白噪声：白噪声：第18页，本讲稿共31页*此式说明：理论上白噪声的人两个不同时段样本，无相此式说明：理论上白噪声的人两个不同时段样本，无相似之处，除非同一组信号似之处，除非同一组信号“完全相同完全相同”。*如果系统带宽如果系统带宽 B，白噪声功率可以近似计算，白噪声功率可

7、以近似计算-B 0 B第19页，本讲稿共31页例：将均值为例：将均值为0，功率谱，功率谱密度为密度为n0/2的高斯白噪声的高斯白噪声加至如图低通滤波器加至如图低通滤波器（1）求输出噪声的自相关）求输出噪声的自相关函数函数（2）求输出噪声的方差）求输出噪声的方差*随机过程通过线性系统随机过程通过线性系统第20页，本讲稿共31页 为量度噪声而设定的物理量为量度噪声而设定的物理量 四四.几种噪声参数：几种噪声参数：第21页，本讲稿共31页热噪声是一种白噪声，其他噪声可以等效为热噪声。热噪声是一种白噪声，其他噪声可以等效为热噪声。*等效：从功率上等效：从功率上“等效等效”*阻抗匹配条件下，提供相同功率

8、的噪声源等效。阻抗匹配条件下，提供相同功率的噪声源等效。*“资用功率资用功率”（Availlable Power）对于热噪声源对于热噪声源对于其他噪声源（宇宙辐射、散粒噪声等等）对于其他噪声源（宇宙辐射、散粒噪声等等）令噪声源的资用功率令噪声源的资用功率 则，则，称之为等效噪声温度（称之为等效噪声温度（Noise Temp(OK)）1.等效噪声温度等效噪声温度第22页，本讲稿共31页 *等效噪声温度标注噪声源资用噪声功率大小；等效噪声温度标注噪声源资用噪声功率大小；显然，显然，TN 则则 PN ;例如：卫星电视天线前端例如：卫星电视天线前端 LNB（Low Noise Band）性能标注：性能

9、标注：20oK、25oK、28oK （哪个好？）（哪个好？）第23页，本讲稿共31页噪声与信号往往混杂在一起，噪声与信号往往混杂在一起，定义：信噪比定义：信噪比=信号（功率）信号（功率）/噪声（功率）噪声（功率）*工程上常用工程上常用 dB 为单位：为单位：*如果信号和噪声采用电压如果信号和噪声采用电压值，公式改成值，公式改成 2.信噪比：信噪比：第24页，本讲稿共31页电路网络自身也产生噪声，在放大的同时，可能改变信号电路网络自身也产生噪声，在放大的同时，可能改变信号的信噪比。的信噪比。为描述电路噪声性能，建立新参量为描述电路噪声性能，建立新参量定义：定义：GSin NinSout Nout

10、*此参数表示信噪比变坏的程度（越大越差）；此参数表示信噪比变坏的程度（越大越差）；实际输出噪声功率实际输出噪声功率理想输出噪声功率理想输出噪声功率N3.噪声系数：噪声系数：第25页，本讲稿共31页*如果放大器的增益如果放大器的增益 G Sout=Sin G 而而 Nout=Nin G+N （加性噪声）（加性噪声）F=1+N/(Nin G)N=（F-1）Nin G *理想放大器理想放大器 N=0，则，则 F=？非理想放大器非理想放大器 F 1 （单纯用放大器不能提高信（单纯用放大器不能提高信噪比！）噪比！）*增益增益 G 的说明：的说明：放大器相当于激励源的变换放大器相当于激励源的变换 两个功率

11、传输过程两个功率传输过程 定义：定义：G=Pout/PinGSin NinSout NoutZSESZiZoEoZLPinPoutN第26页，本讲稿共31页 但是，但是，Pin、Pout 随随 Zi、Zo 变化，需要规定变化，需要规定Zi、Zo 取值取值（置端条件）。（置端条件）。定义：令定义：令 Zi=ZS*、Zo=ZL*为资用功率增益为资用功率增益*从热噪声角度看，当从热噪声角度看，当 Zi=ZS*时时，Nin =kTB *考虑放大器级联的噪声系数考虑放大器级联的噪声系数计算计算 已知：已知：F1、G1、F2、G2 求：求：F、GSin NinSout NoutF1 G1F2G2F GN1

12、N2第27页，本讲稿共31页解：根据资用功率增益的定义，解：根据资用功率增益的定义，Nin =kTB第一级放大器的第一级放大器的输出噪声输出噪声Sin NinSout NoutF1 G1F2G2F GN1N2同理，第二级放大同理，第二级放大器的输出噪声器的输出噪声级联放大器的输出级联放大器的输出噪声噪声第28页，本讲稿共31页*推广多级放大器的噪声系数推广多级放大器的噪声系数*可见，第一级放大器对于噪声系数的影响最大！可见，第一级放大器对于噪声系数的影响最大！电路设计时，将噪声系数小的放大器放在前端。电路设计时，将噪声系数小的放大器放在前端。*工程计算时，增益常用工程计算时，增益常用 dB 为

13、单位，需要换算！为单位，需要换算！第29页，本讲稿共31页为了简便估算噪声功率而设定的概念。为了简便估算噪声功率而设定的概念。定义：中心频率相同，噪声功率相等的理想带通滤波器的定义：中心频率相同，噪声功率相等的理想带通滤波器的“带带宽宽”通过实际网络的噪声功率通过实际网络的噪声功率其中，其中，H()为网络的传递函数为网络的传递函数 通过理想滤波器的噪声功率通过理想滤波器的噪声功率02w04.等效噪声带宽：等效噪声带宽：第30页，本讲稿共31页*有了网络的等效噪声带宽，可以大大简化噪声功率的计有了网络的等效噪声带宽，可以大大简化噪声功率的计算。算。作业：作业：P 51 2-21（b）第31页，本讲稿共31页