第1章噪声基础知识.ppt

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1、第1章噪声基础知识现在学习的是第1页，共88页参考教材l11林理忠林理忠,宋敏宋敏.微弱信号检测学导论微弱信号检测学导论.北京：中国北京：中国计量出版社，计量出版社，1996 1996 l22陈陈佳佳圭圭.微微弱弱信信号号检检测测.北北京京：中中央央广广播播电电视视大大学学出版社，出版社，19871987l33曾曾庆庆勇勇.微微弱弱信信号号检检测测.杭杭州州：浙浙江江大大学学出出版版社社，19941994l44戴逸松戴逸松.微弱信号检测方法及仪器微弱信号检测方法及仪器.北京：国防北京：国防工业出版社，工业出版社，1994 1994 l55刘俊刘俊,张斌珍张斌珍.微弱信号检测技术微弱信号检测技术

2、.北京：电子工北京：电子工业出版社，业出版社，20052005l66高晋占高晋占.微弱信号检测微弱信号检测.北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，20102010现在学习的是第2页，共88页第第0 0章章 绪论绪论 本章主要内容：0-1测量技术的重要性及当前发展方向测量技术的重要性及当前发展方向0-2微弱信号检测及其当前的应用成效微弱信号检测及其当前的应用成效0-3本课程主要内容本课程主要内容0-4考核方式及成绩评定考核方式及成绩评定现在学习的是第3页，共88页0-1 0-1 测量技术的重要性及当前发展方向测量技术的重要性及当前发展方向 一、测量技术的重要性一、测量技术的重要性1 1 测

3、量测量：是指对被检测对象（宇宙内万物）的物理、：是指对被检测对象（宇宙内万物）的物理、化学、工程技术等参量作数值测定工作。化学、工程技术等参量作数值测定工作。2 2 测量与科学技术的关系测量与科学技术的关系 测量在生活、生产、科研、国防等各方面，都是必不可少的。测量在生活、生产、科研、国防等各方面，都是必不可少的。生活中：称斤量尺；生活中：称斤量尺；生产中：依靠测量，保证产品的质量；生产中：依靠测量，保证产品的质量；科研中：先进的测量技术，能帮助揭示新的客观规律；科研中：先进的测量技术，能帮助揭示新的客观规律；现代国防中：只有利用先进的测量方法，才能进行侦察和制导。现代国防中：只有利用先进的测

4、量方法，才能进行侦察和制导。测量技术的进步将推动科技进步。当然，测量技术是科技测量技术的进步将推动科技进步。当然，测量技术是科技的一部分，是被科技发展要求所推动，被其它科技的成就的一部分，是被科技发展要求所推动，被其它科技的成就所推进。所推进。现在学习的是第4页，共88页0-1 0-1 测量技术的重要性及当前发展方向测量技术的重要性及当前发展方向二、测量技术的发展方向二、测量技术的发展方向测量速度测量速度：测量速度的提高，一方面可节约测量时间；另一方面还意味着测量速度的提高，一方面可节约测量时间；另一方面还意味着对被测量的快速变化的响应和处理能力的提高。因此可应用于实时监控、对被测量的快速变化

5、的响应和处理能力的提高。因此可应用于实时监控、瞬变现象快速动力学过程研究等。例如，简单的距离测量，如果不能快瞬变现象快速动力学过程研究等。例如，简单的距离测量，如果不能快速获得结果，就无法获得运载火箭的飞行轨迹，也就不可能作火箭的飞速获得结果，就无法获得运载火箭的飞行轨迹，也就不可能作火箭的飞行控制。行控制。测量精度测量精度：精度是一个测量系统、一种测量方法优劣的重要评判：精度是一个测量系统、一种测量方法优劣的重要评判指标。测量精度的提高，意味着测量灵敏度的提高和测量动态指标。测量精度的提高，意味着测量灵敏度的提高和测量动态范围的扩大。范围的扩大。测量灵敏度测量灵敏度是指单位输入下的输出，其提

6、高，可获得更是指单位输入下的输出，其提高，可获得更准确的实验数据、生产一些质量更高的产品。准确的实验数据、生产一些质量更高的产品。测量动态范围的扩大测量动态范围的扩大是是因为可检测下限下降了，这往往能促使一些新现象的发现和应用。例如，因为可检测下限下降了，这往往能促使一些新现象的发现和应用。例如，俄歇谱的发现，如果没有测量微弱二次电子的能力，这是不可能的。俄歇谱的发现，如果没有测量微弱二次电子的能力，这是不可能的。现在学习的是第5页，共88页0-2 微弱信号检测及其当前的应用成效 一、微弱信号检测一、微弱信号检测 微弱信号检测微弱信号检测（WeakSignalDetection，简称，简称WS

7、D）是测量）是测量技术中的综合技术和尖端领域，由于它能测量传统观念认为不技术中的综合技术和尖端领域，由于它能测量传统观念认为不能测到的微弱量，所以获得了迅速发展和普遍重视。能测到的微弱量，所以获得了迅速发展和普遍重视。对于众多的微弱量（如弱光、小位移、微振动、微温差、小电容、对于众多的微弱量（如弱光、小位移、微振动、微温差、小电容、弱磁、弱声等），一般都通过各种传感器作非电量转换，使被检测弱磁、弱声等），一般都通过各种传感器作非电量转换，使被检测量转变成电学量（如电压或电流）。当被检测量非常微弱时，被检量转变成电学量（如电压或电流）。当被检测量非常微弱时，被检测量本身的涨落、传感器的噪声及测量

8、仪表的噪声，表现出来的总测量本身的涨落、传感器的噪声及测量仪表的噪声，表现出来的总效果是，有用的被测信号被大量的噪声和干扰所淹没，使测量受到效果是，有用的被测信号被大量的噪声和干扰所淹没，使测量受到限制。限制。现在学习的是第6页，共88页0-2 微弱信号检测及其当前的应用成效一、微弱信号检测一、微弱信号检测 19281928年年，约约翰翰逊逊（JohnsonJohnson）对对热热骚骚动动电电子子运运动动产产生生的的噪噪声声进进行行研研究，之后，大量科学工作者对信号的检测作出了重要贡献；究，之后，大量科学工作者对信号的检测作出了重要贡献；19621962年年，美美国国PARCPARC第第一一台

9、台相相干干检检测测的的锁锁相相放放大大器器问问世世，使使检检测测的信噪比突然提高到的信噪比突然提高到10103 3；19681968年，从大量二次电子的背景中测得年，从大量二次电子的背景中测得AugerAuger电子；电子；2020世世纪纪8080年年代代初初，在在特特定定的的条条件件下下，可可使使1nV10I10-6-6AA指针式电流计；指针式电流计；1010-10-10A AI I1010-6-6AA灵敏电流计；灵敏电流计；1010-14-14A AI I1010-10-10AA灵敏静电计或振子测量仪；灵敏静电计或振子测量仪；I I1010-14-14AA微弱信号检测技术。微弱信号检测技术

10、。3弱磁测量弱磁测量 弱磁测量有很重要的意义，比如在地质勘探、矿藏普查、军事弱磁测量有很重要的意义，比如在地质勘探、矿藏普查、军事上的潜艇搜寻、医学上的临床诊断等都需要对弱磁场进行定量检测。上的潜艇搜寻、医学上的临床诊断等都需要对弱磁场进行定量检测。但是在弱磁的测量中，常受到但是在弱磁的测量中，常受到地磁场地磁场的干扰，尤其是地磁起伏。以人的干扰，尤其是地磁起伏。以人体磁信号为例，图体磁信号为例，图0-10-1是人体各种器官的磁信号强度和地磁起伏强度的是人体各种器官的磁信号强度和地磁起伏强度的范围。范围。现在学习的是第10页，共88页0-2 微弱信号检测及其当前的研究成效二、二、应用成效应用成

11、效3弱磁测量弱磁测量 当磁信号低于地磁水平时，必须采用微弱信号检测手段。当磁信号低于地磁水平时，必须采用微弱信号检测手段。检测弱磁场目前比较常用的是检测弱磁场目前比较常用的是磁通门磁力计磁通门磁力计（其噪声水平是（其噪声水平是10-1110-12T量级），但是量级），但是利用超导量子干涉器件（利用超导量子干涉器件（SQUID）完成的磁力完成的磁力计，可以检测到更弱的磁场（其噪声范围是计，可以检测到更弱的磁场（其噪声范围是10-14T量级）。量级）。现在学习的是第11页，共88页0-2 微弱信号检测及其当前的研究成效微弱信号检测及其当前的研究成效二、二、应用成效应用成效 分析分析：一些基本量的测

12、量精度，在利用：一些基本量的测量精度，在利用WSD技术后，一般都提技术后，一般都提高了高了103104。表表0-1微弱检测的灵敏度提高微弱检测的灵敏度提高电压电压电流电流温度温度电容电容信噪比信噪比改善改善常规常规检测检测1V10-10A10-4K0.1pF10微弱微弱检测检测0.1nV10-14A10-7K10-5pF105提高提高104104103104104现在学习的是第12页，共88页0-3 0-3 本课程主要内容本课程主要内容 一、教学内容一、教学内容1.噪声基础知识噪声基础知识噪声基本性质；噪声统计性质；微弱信号检测方法概述。噪声基本性质；噪声统计性质；微弱信号检测方法概述。2.放

13、大器的噪声与屏蔽接地技术放大器的噪声与屏蔽接地技术噪噪声声系系数数、噪噪声声因因子子和和其其它它噪噪声声参参量量；低低噪噪声声放放大大器器匹匹配配网网络络与与变变压压器特性；屏蔽、接地与布线。器特性；屏蔽、接地与布线。3选频放大测量与相干检测选频放大测量与相干检测选选频频检检测测的的局局限限性性与与相相干干检检测测原原理理；相相敏敏检检波波器器电电路路；非非周周期期移移项项器器；锁锁相放大器及其主要性能指标；锁相放大器的使用与应用。相放大器及其主要性能指标；锁相放大器的使用与应用。4.4.积累平均原理与技术积累平均原理与技术 根号根号m法则与取样定理；取样积分器；参数图解选择法；法则与取样定理

14、；取样积分器；参数图解选择法；Boxcar信噪信噪比改善的数学讨论；数字多点平均器。比改善的数学讨论；数字多点平均器。现在学习的是第13页，共88页0-3 0-3 本课程主要内容本课程主要内容一、教学内容一、教学内容5.弱离散信号的检测弱离散信号的检测离离散散信信号号检检测测的的特特点点；光光子子计计数数器器的的结结构构；光光子子计计数数器器的的使使用用与与应用。应用。6.微弱并行检测技术微弱并行检测技术概概述述；多多道道探探测测器器件件；光光电电并并行行检检测测器器件件的的性性能能与与特特点点；OMA（光光学学多道分析仪）系统；多道分析仪）系统；OMA的应用。的应用。7.数字弱信号检测的基本

15、概念数字弱信号检测的基本概念 误差理论简介；平滑与拟合；数字图像处理简介；线性、时不变、误差理论简介；平滑与拟合；数字图像处理简介；线性、时不变、离散时间系统的基本概念；几种数字滤波器；离散傅氏变换与快离散时间系统的基本概念；几种数字滤波器；离散傅氏变换与快速傅氏变换的基本概念。速傅氏变换的基本概念。现在学习的是第14页，共88页0-3 0-3 本课程主要内容本课程主要内容二、实验教学内容二、实验教学内容1认识实验认识实验常用微弱信号检测仪器的使用；正确记录、处理数据和表达实验结果。常用微弱信号检测仪器的使用；正确记录、处理数据和表达实验结果。2锁相放大器原理实验锁相放大器原理实验理解锁相放大

16、器的工作原理，学会使用锁相放大器。理解锁相放大器的工作原理，学会使用锁相放大器。3相关器的研究及其主要参数测量相关器的研究及其主要参数测量 了解相关器的原理，测量相关器的输出特性、抑制干扰能力、抑了解相关器的原理，测量相关器的输出特性、抑制干扰能力、抑制白噪声能力、过载电平、直流漂移及动态范围等。制白噪声能力、过载电平、直流漂移及动态范围等。现在学习的是第15页，共88页0-4 考核方式及成绩评定 闭卷考试闭卷考试成绩评定：成绩评定：平时平时（作业平时出勤课堂表现）（作业平时出勤课堂表现）：20%实验：实验：20%；期末考试：期末考试：60%；现在学习的是第16页，共88页第第1 1章章 噪声

17、基础知识噪声基础知识 本章主要内容：本章主要内容：1-1噪声的基本性质噪声的基本性质1-2噪声的统计性质噪声的统计性质1-3器件噪声举例（电阻、半导体二极管、器件噪声举例（电阻、半导体二极管、结型半导体三极管）结型半导体三极管）1-4微弱信号检测方法概述微弱信号检测方法概述现在学习的是第17页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质 一、噪声的定义和种类一、噪声的定义和种类噪声噪声：是指真实信号以外测量所得的值，也称为有害信号。噪声有广义是指真实信号以外测量所得的值，也称为有害信号。噪声有广义噪声和狭义噪声之说。噪声和狭义噪声之说。广义的噪声广义的噪声：是指扣除被测信号真实值以后的各种测

18、量值，不论这：是指扣除被测信号真实值以后的各种测量值，不论这些非零测值的来源，是被测对象、测量人员、测量系统、还是外些非零测值的来源，是被测对象、测量人员、测量系统、还是外界环境。界环境。狭义的噪声狭义的噪声，是指来自于被测对象、传感器、比较测定系统内部是指来自于被测对象、传感器、比较测定系统内部的广义噪声，其特点是：不可能彻底排除，只能设法减弱，这些的广义噪声，其特点是：不可能彻底排除，只能设法减弱，这些噪声是随机的。噪声是随机的。分类分类：现在学习的是第18页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质一、噪声的定义和种类一、噪声的定义和种类干干扰扰：是是指指非非被被测测信信号号或或非非

19、测测量量系系统统所所引引起起的的噪噪声声，是是来来自自于于外外界界的的影影响而造成的非信号测量值。包括：响而造成的非信号测量值。包括：（1）来自于宇宙：如宇宙射线、宇宙电磁干扰；）来自于宇宙：如宇宙射线、宇宙电磁干扰；（2）人人为为的的其其它它器器件件：开开关关的的电电火火花花、汽汽车车的的火火花花塞塞的的电电火火花花、强广播、强电视信号（理工大学附近的北京电视台）等：强广播、强电视信号（理工大学附近的北京电视台）等：（3）市电的干扰和附近的有强电的外部器件：）市电的干扰和附近的有强电的外部器件：现在学习的是第19页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质一、噪声的定义和种类一、噪声的定

20、义和种类干干扰扰的的排排除除：从从理理论论上上讲讲，干干扰扰是是属属于于理理想想上上可可排排除除的的噪噪声声。不不少少干干扰扰源源，发发出出的的干干扰扰是是有有规规律律的的，有有些些具具有有周周期期性性、有有些些只只是是瞬瞬时时的的。因因此此，可可通通过过屏屏蔽蔽、工工作作时时间间错错开开、电电源源净净化化器器等等措措施施，加加以以排排除除或或消消弱弱。具具体体的的排排除除措措施施，需需要要针针对对干干扰扰源源的特点进行。的特点进行。干扰源干扰源分类：分类：（1）与与被被测测量量有有相相同同类类型型的的外外界界干干扰扰源源：如如光光测测量量时时，其其它它光光源源的光将是干扰源。的光将是干扰源。

21、（2）与传感器转换后的信号有相同类型的外界干扰源：如用电）与传感器转换后的信号有相同类型的外界干扰源：如用电传感器时，其它电器的电信号就是干扰源。传感器时，其它电器的电信号就是干扰源。现在学习的是第20页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质一、噪声的定义和种类一、噪声的定义和种类电电干干扰扰的的引引入入途途径径，主主要要为为感感应应和和电电源源偶偶合合。在在弱弱信信号号检检测测时时，电源干扰必须引起足够的重视。常见的电源干扰必须引起足够的重视。常见的电源干扰电源干扰：（1）供电线路中的严重超载引起的电压降低；）供电线路中的严重超载引起的电压降低；（2）大负载切断时，造成的超压；）大负

22、载切断时，造成的超压；（3）非线性功率因子负载，引起的正弦波失真；）非线性功率因子负载，引起的正弦波失真；（4）电源频率与相位漂移；）电源频率与相位漂移；（5）配电盘之前的输电线受外界的影响而引入的长模噪声；）配电盘之前的输电线受外界的影响而引入的长模噪声；（6）配电盘之后的其它用电设备引入的共模噪声；）配电盘之后的其它用电设备引入的共模噪声；（7）瞬变的尖峰干扰。）瞬变的尖峰干扰。现在学习的是第21页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质二、噪声的度量二、噪声的度量1有效噪声水平有效噪声水平 对对于于一一个个稳稳定定的的信信号号，噪噪声声使使测测量量值值在在信信号号值值上上、下下起起

23、伏伏，即即噪噪声声有有正正、有有负负。并并且且大大量量的的起起伏伏值值集集中中在在一一定定的的范范围围内内，只只有有少少数数机机会会，会会测测得得偏偏离离信信号号很很大大的的值值。好好的的测测量量系系统统，集集中中的的起起伏伏值值范范围围小小，即即噪噪声声小小。因因此此，噪噪声声是是可可度度量量的的。因因为为多多数数噪噪声声的的算算术术平平均均值值为为零零，故故不不能能用用噪噪声声的的算算术术平平均均值值来来度度量量，而而只只能能用用噪噪声声的的均均方方根根值值来来度度量量，这这个个值值称称为为有有效噪声水平效噪声水平。现在学习的是第22页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质二、噪声

24、的度量二、噪声的度量1有效噪声水平有效噪声水平对于对于电压测量系统电压测量系统，其，其有效噪声电压有效噪声电压为：为：式中式中第第i次测量时的噪声值；次测量时的噪声值；m测量的总次数（应足够大）；测量的总次数（应足够大）；有效噪声电压。有效噪声电压。现在学习的是第23页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质二、噪声的度量二、噪声的度量1有效噪声水平有效噪声水平对于对于电流测量系统电流测量系统，其，其有效噪声电流有效噪声电流为：为：式中式中第第i次测量时的噪声值；次测量时的噪声值；m测量的总次数（应足够大）；测量的总次数（应足够大）；有效噪声电压。有效噪声电压。现在学习的是第24页，共8

25、8页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质二、噪声的度量二、噪声的度量2噪声等效功率（NEP）从物理角度看，任何传感器必须输入一定的能量，才能将输入的从物理角度看，任何传感器必须输入一定的能量，才能将输入的信息变换成所需的输出信息。当然输出信息时，也同时输出能量。信息变换成所需的输出信息。当然输出信息时，也同时输出能量。例如，光电压传感器要能输出电压信号，就必须有光能输入，入射例如，光电压传感器要能输出电压信号，就必须有光能输入，入射光强时，光能输入多，因此输出的电压信号大；同样，光电流传感光强时，光能输入多，因此输出的电压信号大；同样，光电流传感器，必须输入一定的光能量，才能有电流信号输出。器

26、，必须输入一定的光能量，才能有电流信号输出。现在学习的是第25页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质二、噪声的度量二、噪声的度量2噪声等效功率（噪声等效功率（NEP）响响应应度度：定定义义为为输输出出信信号号值值与与输输入入信信号号功功率率之之比比。用用其其来来描描述述传传感感器的灵敏度，从而可以比较同类传感器的优劣。器的灵敏度，从而可以比较同类传感器的优劣。对于对于电压传感器电压传感器，其，其电压响应度电压响应度为：为：式中式中 Vo输出的电压；输出的电压；P输入信号的功率；输入信号的功率；Rv电压响应度。电压响应度。现在学习的是第26页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性

27、质二、噪声的度量二、噪声的度量2噪声等效功率（噪声等效功率（NEP）对于对于电流传感器电流传感器，其，其电流灵敏度电流灵敏度为：为：式中式中 Io输出的电流；输出的电流；P输入信号的功率；输入信号的功率；Sd电流灵敏度。电流灵敏度。Rv、Sd的物理涵义的物理涵义：分别表示：分别表示输入单位信号功率输入单位信号功率时，传感器的时，传感器的输出信号电压输出信号电压和和电流电流。现在学习的是第27页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质二、噪声的度量二、噪声的度量2噪声等效功率（NEP）噪声等效功率（噪声等效功率（NEP）：传感器无信号输入时，也会有噪声输出，假设：传感器无信号输入时，也会有

28、噪声输出，假设此有效噪声值是相当功率的输入信号造成的，则称此功率值为噪声等效此有效噪声值是相当功率的输入信号造成的，则称此功率值为噪声等效功率（功率（NEP）。）。这个噪声的度量参量，常在传感器性能研究中使用，这个噪声的度量参量，常在传感器性能研究中使用，也可用于后继放大器系统。也可用于后继放大器系统。电压传感器噪声等效功率：电压传感器噪声等效功率：电流传感器噪声等效功率：电流传感器噪声等效功率：现在学习的是第28页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质二、噪声的度量二、噪声的度量2噪声等效功率（噪声等效功率（NEP）探测度探测度(D)：用于衡量该探测器可测的最低信号功率。定义：用于衡

29、量该探测器可测的最低信号功率。定义：归一化探测度（归一化探测度（D*）：由于：由于NEP实际与探测器接收面积实际与探测器接收面积A和测量和测量系统的频带宽度系统的频带宽度有关，故有关，故D也与也与A和和有关，为了说明各类探有关，为了说明各类探测器的性能，而不是某个探测器的性能，引入归一化探测度（测器的性能，而不是某个探测器的性能，引入归一化探测度（D*），），定义为：定义为：注意：注意：D*不再与接收面积和带宽有关了。不再与接收面积和带宽有关了。现在学习的是第29页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质二、噪声的度量二、噪声的度量3信噪比与信噪比改善信噪比与信噪比改善信噪比（信噪比（S

30、NR）：定义：定义：用其来度量噪声相对于信号的大小。信噪比越高，信号测量越容用其来度量噪声相对于信号的大小。信噪比越高，信号测量越容易精确。易精确。信噪比改善（信噪比改善（SNIR）：指测量系统输出信噪比：指测量系统输出信噪比SNRout和输入信噪和输入信噪比比SNRin之比，即之比，即该度量参量用于衡量系统本身的噪声引入情况，及对信号的提该度量参量用于衡量系统本身的噪声引入情况，及对信号的提取能力与放大情况。由于很多系统，具有噪声抑制及信号放大能力，取能力与放大情况。由于很多系统，具有噪声抑制及信号放大能力，所以所以SNIR是可以大于一的。是可以大于一的。现在学习的是第30页，共88页1-1

31、 噪声的基本性质噪声的基本性质三、电子噪声三、电子噪声1热噪声（又称约翰逊噪声）热噪声（又称约翰逊噪声）（1928）成因成因：任何电子器件，其中总有电传导载流子，当处于一定：任何电子器件，其中总有电传导载流子，当处于一定温度环境下，这些载流子必作无规热运动。这种热运动，温度环境下，这些载流子必作无规热运动。这种热运动，将使器件中载流子的定向流动有起伏变化，这就形成器件将使器件中载流子的定向流动有起伏变化，这就形成器件闭路时的热噪声电流。即使器件开路，热运动也会形成开闭路时的热噪声电流。即使器件开路，热运动也会形成开路噪声电压（热运动使体内电荷分布出现起伏）。路噪声电压（热运动使体内电荷分布出现

32、起伏）。现在学习的是第31页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质三、电子噪声三、电子噪声1热噪声（又称约翰逊噪声）热噪声（又称约翰逊噪声）规律规律：奈奎斯特从热力学出发，获得了与实验一致的规律：奈奎斯特从热力学出发，获得了与实验一致的规律热噪声电压有效值热噪声电压有效值为：为：热噪声电流有效值热噪声电流有效值为：为：热噪声功率谱密度热噪声功率谱密度为：为：噪声功率谱密度噪声功率谱密度：单位频率间隔内的：单位频率间隔内的VN与与IN的乘积的乘积现在学习的是第32页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质三、电子噪声三、电子噪声1热噪声（又称约翰逊噪声）热噪声（又称约翰逊噪声）特点

33、特点：（1）热噪声的有效值与系统允许通过的电信号的频宽的平方）热噪声的有效值与系统允许通过的电信号的频宽的平方根成正比。带宽越宽，噪声越大。无论在低频还是高频，只根成正比。带宽越宽，噪声越大。无论在低频还是高频，只要带宽相同，热噪声的幅度就相同。因此，可认为热噪声有要带宽相同，热噪声的幅度就相同。因此，可认为热噪声有各种频率，故称热噪声为各种频率，故称热噪声为“白白”噪声。噪声。（2）热噪声功率谱密度只随温度变化。）热噪声功率谱密度只随温度变化。现在学习的是第33页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质三、电子噪声三、电子噪声1热噪声（又称约翰逊噪声）热噪声（又称约翰逊噪声）减小热噪声

34、的方法减小热噪声的方法：（1）降温；）降温；（2）降低系统允许通过的带宽；）降低系统允许通过的带宽；（3）改变等效负载电阻，对热噪声的电压和电流效果是）改变等效负载电阻，对热噪声的电压和电流效果是不相同的。不相同的。现在学习的是第34页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质三、电子噪声三、电子噪声2散粒噪声散粒噪声（微观）（微观）成因成因：（1）进进入入探探测测器器的的光光强强，即即使使宏宏观观上上是是稳稳定定的的，但但从从光光的的量量子子特特性性可可知知，相相等等时时间间内内，进进入入探探测测器器的的光光子子数数是有涨落的。这在测量中，就会形成散粒噪声；是有涨落的。这在测量中，就会形

35、成散粒噪声；（2）光光电电传传感感器器作作光光电电转转换换时时，有有转转换换效效率率（量量子子效效率率）问问题题。平平时时的的量量子子效效率率，只只是是一一平平均均值值，实实际际上上也也是是有有起起伏伏的的，它也是一种散粒噪声；它也是一种散粒噪声；（3）宏观上恒定的电流，实际上在相等的测量时间内，载）宏观上恒定的电流，实际上在相等的测量时间内，载流子的数目也有起伏，也会出现散粒噪声。流子的数目也有起伏，也会出现散粒噪声。现在学习的是第35页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质三、电子噪声三、电子噪声2散粒噪声散粒噪声（微观）（微观）规律规律：散粒噪声遵循（：散粒噪声遵循（Scholl

36、ky）公式：）公式：散粒噪声有效噪声电压：散粒噪声有效噪声电压：散粒噪声有效噪声电流：散粒噪声有效噪声电流：I平平平均转换电流平均转换电流现在学习的是第36页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质三、电子噪声三、电子噪声2散粒噪声散粒噪声（微观）（微观）平平均均转转换换电电流流I平平的的计计算算：若若设设PS为为信信号号的的光光功功率率，Pb为为背背景景光光功功率率，假假设设光光子子产产生生的的载载流流子子的的电电荷荷量量为为e，量量子子效效率率为为，则有：，则有：若传感器有内增益系数若传感器有内增益系数G，实际散粒噪声将放大，实际散粒噪声将放大G倍倍特点特点：各种散粒噪声都是白噪声。

37、：各种散粒噪声都是白噪声。减小散粒噪声的方法减小散粒噪声的方法：（：（1）减小背景光；）减小背景光；（2）减小接收器带宽。）减小接收器带宽。现在学习的是第37页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质三、电子噪声三、电子噪声3暗电流噪声暗电流噪声成因成因：许多电传感器，即使没有信号输入，也有电流产生，称：许多电传感器，即使没有信号输入，也有电流产生，称为暗电流。产生的机理，随器件不同而不同。例如场致发为暗电流。产生的机理，随器件不同而不同。例如场致发射、热激发载流子等。它们也是随机起伏的，因此形成暗射、热激发载流子等。它们也是随机起伏的，因此形成暗电流噪声。电流噪声。规律规律：暗电流噪声

38、遵循的规律如下：暗电流噪声遵循的规律如下：暗电流噪声有效噪声电压暗电流噪声有效噪声电压：暗电流噪声有效噪声电流暗电流噪声有效噪声电流：式中式中I暗暗平均暗电流；平均暗电流；现在学习的是第38页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质三、电子噪声三、电子噪声3暗电流噪声暗电流噪声特点特点：各种暗电流噪声都是白噪声。：各种暗电流噪声都是白噪声。减小暗电流噪声的方法减小暗电流噪声的方法：（：（1）减小系统带宽；）减小系统带宽；（2）通过降温，减小）通过降温，减小I暗暗。与散粒噪声可合成一个表达式：与散粒噪声可合成一个表达式：式中式中I=I暗暗+I平平。功率谱密度功率谱密度（散粒噪声（散粒噪声+

39、暗电流噪声）：暗电流噪声）：现在学习的是第39页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质三、电子噪声三、电子噪声4低频噪声（又称闪烁噪声）低频噪声（又称闪烁噪声）成因成因：产生的原因比较复杂，它与材料的表面状态，或：产生的原因比较复杂，它与材料的表面状态，或PN结结的漏电流等因素有关。例如，表面的污染与损伤、材料中的漏电流等因素有关。例如，表面的污染与损伤、材料中的晶体缺陷、重金属离子的沉积等都会影响低频噪声。的晶体缺陷、重金属离子的沉积等都会影响低频噪声。现在学习的是第40页，共88页1-1 噪声的基本性质噪声的基本性质三、电子噪声三、电子噪声4低频噪声（又称闪烁噪声）低频噪声（又称闪

40、烁噪声）规律规律：根据对薄膜电阻、半导体器件、接触电阻的测量，：根据对薄膜电阻、半导体器件、接触电阻的测量，闪烁噪声服从下述经验公式：闪烁噪声服从下述经验公式：式中式中K实验常数，有较宽的范围；实验常数，有较宽的范围；r系数，在系数，在1与与2之间；之间；系数，在系数，在0.9与与1.35之间。之间。一般情况下，一般情况下，取取1，故又称为故又称为1/f噪声；噪声；I电流。电流。特点：特点：工作频率越低，低频噪声越大，在一千赫以下工作频率越低，低频噪声越大，在一千赫以下有相当量级。有相当量级。现在学习的是第41页，共88页1-2 噪声的统计性质噪声的统计性质一、概率与概率分布函数一、概率与概率

41、分布函数1离散随机量离散随机量的概率与概率分布的概率与概率分布对对于于离离散散的的随随机机变变量量，因因一一次次测测量量，只只能能取取一一组组离离散散值值（X1,X2,Xm）中中的的某某一一个个值值。取取其其中中某某一一Xi值值的的概概率率为为P（Xi），其定义为：），其定义为：离散随机量的概率分布：离散随机量的概率分布：将将P（X1），），P（X2），），P（Xm）的集合。）的集合。根据概率的定义，有：根据概率的定义，有：现在学习的是第42页，共88页1-2 噪声的统计性质噪声的统计性质一、概率与概率分布函数一、概率与概率分布函数2连续随机量连续随机量的概率密度与概率密度分布的概率密度与概率

42、密度分布概率密度概率密度：定义为：定义为式中式中 ni是测得值在是测得值在之间的次数；之间的次数；n测量总次数。测量总次数。概率密度分布概率密度分布：是各概率密度：是各概率密度p(Xi)的集合。的集合。现在学习的是第43页，共88页1-2 噪声的统计性质噪声的统计性质一、概率与概率分布函数一、概率与概率分布函数3概率与平均值、标准偏差的关系概率与平均值、标准偏差的关系平均值的定义与概率的关系：平均值的定义与概率的关系：离散随机函数离散随机函数：连续随机函数连续随机函数：现在学习的是第44页，共88页1-2 噪声的统计性质噪声的统计性质一、概率与概率分布函数一、概率与概率分布函数3概率与平均值、

43、标准偏差的关系概率与平均值、标准偏差的关系标准偏差与概率的关系：标准偏差与概率的关系：离散随机函数离散随机函数：连续随机函数连续随机函数：标准偏差反映了测得值相对于平均值的偏差的统标准偏差反映了测得值相对于平均值的偏差的统计规律。对噪声正负对称的系统计规律。对噪声正负对称的系统，则，则就是噪声就是噪声有效值。有效值。现在学习的是第45页，共88页1-2 噪声的统计性质噪声的统计性质二、两类常见的概率分布函数二、两类常见的概率分布函数1正态分布（又称高斯分布）正态分布（又称高斯分布）概率密度分布函数概率密度分布函数：分布图形分布图形：现在学习的是第46页，共88页1-2 噪声的统计性质噪声的统计

44、性质二、两类常见的概率分布函数二、两类常见的概率分布函数1正态分布（又称高斯分布）正态分布（又称高斯分布）特点特点：（1）分分布布曲曲线线是是一一种种特特定定的的铃铃铛铛形形，峰峰值值所所在在的的横横轴轴位位置置，恰恰好好是是平平均均值值。这这说说明明此此类类噪噪声声测测量量时时，测测得得平均值的概率最大，其概率密度为平均值的概率最大，其概率密度为（2）是标准偏差，越小，测得平均值的概率越大。是标准偏差，越小，测得平均值的概率越大。现在学习的是第47页，共88页1-2 噪声的统计性质噪声的统计性质二、两类常见的概率分布函数二、两类常见的概率分布函数1正态分布（又称高斯分布）正态分布（又称高斯分

45、布）特点特点：（3）测得值在）测得值在-与与+范围内的概率为：范围内的概率为：说说明明：正正态态分分布布时时，多多数数测测量量值值是是在在此此范范围围内内，因此因此可用作衡量正态分布随机函数的测量误差。可用作衡量正态分布随机函数的测量误差。（4）测测得得值值在在-3.3与与+3.3范范围围内内的的概概率率为为99.9%。说说明明：绝绝大大多多数数噪噪声声都都在在这这个个范范围围内内，因因此此，可可认认为为噪噪声声最最大大值值为为+3.3，最最小小值值为为-3.3，而而把把6.6作作为为噪声的峰峰值。噪声的峰峰值。现在学习的是第48页，共88页1-2 噪声的统计性质噪声的统计性质二、两类常见的概

46、率分布函数二、两类常见的概率分布函数2二项式分布和泊松分布二项式分布和泊松分布A二项式分布二项式分布（1）二值离散变量二值离散变量：是一种特殊的离散变量，其只有两个可能取是一种特殊的离散变量，其只有两个可能取值（值（A，B）。例如，讨论在确定的时间间隔内，有无光子到达接）。例如，讨论在确定的时间间隔内，有无光子到达接收器、或有无脉冲输入系统或部件工作是否可靠等，所得测得值收器、或有无脉冲输入系统或部件工作是否可靠等，所得测得值就是二值离散变量。此类量的随机概念，是指每一次测量，我们就是二值离散变量。此类量的随机概念，是指每一次测量，我们无法知道将会得到的是有（无法知道将会得到的是有（A），还是

47、没有（），还是没有（B）。但多次测量，却）。但多次测量，却可以得到测得可以得到测得A或或B的概率，令：的概率，令：p+q=1现在学习的是第49页，共88页1-2 噪声的统计性质噪声的统计性质二、两类常见的概率分布函数二、两类常见的概率分布函数2二项式分布和泊松分布二项式分布和泊松分布A二项式分布二项式分布（2）二二项项式式分分布布：对对于于二二值值离离散散变变量量，在在n次次重重复复测测量量中中，测测得得A出现出现m次的概率用次的概率用PA（m）表示，则有：表示，则有：特点特点：（1）（2）若若二二值值离离散散变变量量的的p不不接接近近于于零零，则则取取m接接近近于于零零或或接接近近于于n时时

48、，PA（m）值值是是很很小小的的。由由于于p，q都都小小于于1，故故p或或q的的高高次次方方值值总总是是很很小的。小的。（3）最大概率）最大概率PA（m）出现在出现在m=np处，它相当于平均值。处，它相当于平均值。（4）标准偏差为：）标准偏差为：现在学习的是第50页，共88页1-2 噪声的统计性质噪声的统计性质二、两类常见的概率分布函数二、两类常见的概率分布函数2二项式分布和泊松分布二项式分布和泊松分布B泊泊松松分分布布：当当n很很大大，p很很小小时时，二二项项式式分分布布表表达达式式，可可简简化化为：为：R单位时间内出现的事件数，即事件发生速率；单位时间内出现的事件数，即事件发生速率；t测定

49、时间间隔。测定时间间隔。特点特点：（1）符符合合泊泊松松分分布布的的离离散散随随机机变变量量很很多多：如如光光子子束束流流（极极弱光强束）、散粒噪声、放射性衰变等。弱光强束）、散粒噪声、放射性衰变等。（2）最大概率）最大概率PA（m）出现在出现在m=np=Rt处。处。（3）对对泊泊松松分分布布q1，故故，可可作作为为测测量量中中的的标准偏差。标准偏差。现在学习的是第51页，共88页1-2 噪声的统计性质噪声的统计性质三、相关函数三、相关函数1自相关函数自相关函数自自相相关关函函数数：表表示示随随机机函函数数x(t)与与延延时时了了时时间间间间隔隔的的同同一一函函数数的的相关性，其定义为：相关性

50、，其定义为：基本特性基本特性：（1）Rxx()仅与时间差仅与时间差有关，与计算时间有关，与计算时间t的起点无关；的起点无关；（2）Rxx()=Rxx(-)，即，即Rxx()是偶函数；是偶函数；（3）Rxx()Rxx(0)，即，即Rxx(0)是自相关函数的最大值是自相关函数的最大值现在学习的是第52页，共88页1-2 噪声的统计性质噪声的统计性质三、相关函数三、相关函数2互相关函数互相关函数互互相相关关函函数数：反反映映了了两两个个不不同同的的随随机机变变量量x(t)与与y(t)之之间间的的统统计计依依赖性，定义：赖性，定义：基本特性基本特性：（1）Rxy()仅与时间差仅与时间差有关，与计算时间