第3章干扰和噪声.ppt

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1、第第3 3章章 噪声与干扰噪声与干扰 3.1 概述概述3.2 噪声的来源和特点噪声的来源和特点3.2.1 电阻的热噪声电阻的热噪声3.2.2 二极管的噪声二极管的噪声3.2.3 晶体三极管的噪声晶体三极管的噪声3.2.4 场效应管噪声场效应管噪声3.2.5 接受天线噪声接受天线噪声3.3 噪声系数计算方法噪声系数计算方法3.3.1 噪声系数的定义噪声系数的定义3.3.2 信噪比与负载的关系信噪比与负载的关系3.3.3 用额定功率和额定功率增益表示的噪声系数用额定功率和额定功率增益表示的噪声系数3.3.4 多级放大器噪声系数的计算多级放大器噪声系数的计算3.3.5 等效噪声温度等效噪声温度3.3

2、.6 晶体放大器的噪声系数晶体放大器的噪声系数3.3.7 噪声系数与灵敏度噪声系数与灵敏度3.3.8 噪声系数的测量噪声系数的测量3.4 降低噪声系数的措施降低噪声系数的措施3.5 工业干扰与天电干扰工业干扰与天电干扰3.13.1 概概 述述 噪声是一种噪声是一种随机信号随机信号，其频谱分布于整个无线电工作频，其频谱分布于整个无线电工作频率范围，因此它是影响各类收信机性能的主要因素之一。率范围，因此它是影响各类收信机性能的主要因素之一。干扰与噪声的分类如下干扰与噪声的分类如下：干扰一般指外部干扰，可分为干扰一般指外部干扰，可分为自然自然的和的和人为人为的干扰。的干扰。自自然干扰有天电干扰、宇宙

3、干扰和大地干扰等。然干扰有天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等。人为干扰主要人为干扰主要有工业干扰和无线电器的干扰。有工业干扰和无线电器的干扰。噪声一般指内部噪声，也可以分为自然的和人为的噪声。噪声一般指内部噪声，也可以分为自然的和人为的噪声。本章主要讨论本章主要讨论自然噪声自然噪声，对工业干扰和天电干扰只做简略的，对工业干扰和天电干扰只做简略的说明。说明。3.2 3.2 噪声的来源和特点噪声的来源和特点 理论上说，任何电子线路都有电子噪声，但是因为通常理论上说，任何电子线路都有电子噪声，但是因为通常电子噪声的强度很弱，因此它的影响主要出现在有用信号比电子噪声的强度很弱，因此它的影响主要出现在有用信

4、号比较弱的场合，在电子线路中，噪声来源主要有两方面：较弱的场合，在电子线路中，噪声来源主要有两方面：电电阻热噪声和半导体管噪声，两者有许多相同的特性阻热噪声和半导体管噪声，两者有许多相同的特性。3.2.1 3.2.1 电阻的热噪声电阻的热噪声 电阻由导体等材料组成，导体内的自由电子在一定的温电阻由导体等材料组成，导体内的自由电子在一定的温度下总是处于度下总是处于“无规则无规则”的热运动状态，这种热运动的方向的热运动状态，这种热运动的方向和速度都是随机的。和速度都是随机的。自由电子的热骚动在导体内形成非常自由电子的热骚动在导体内形成非常弱的电流。弱的电流。电阻热噪声作为一种起伏噪声，具有极宽的频

5、谱，从零电阻热噪声作为一种起伏噪声，具有极宽的频谱，从零频一直延伸到频一直延伸到10-13Hz以上的频率，而且它的各个频率分量以上的频率，而且它的各个频率分量的强度是相等的。的强度是相等的。这种频谱与白色光的光谱类似，因此将这种频谱与白色光的光谱类似，因此将具有均匀连续的噪声叫做具有均匀连续的噪声叫做白噪声白噪声，电阻的热噪声就是一种，电阻的热噪声就是一种白噪声。白噪声。3.2.2 3.2.2 二极管的噪声二极管的噪声 晶体二极管工作状态可分为晶体二极管工作状态可分为正偏正偏和和反偏反偏两种。两种。正偏使用时，主要是直流通过正偏使用时，主要是直流通过pn结时产生结时产生散粒噪声散粒噪声。反偏使

6、用时，因反向饱和电流很小，故其产生的散粒噪反偏使用时，因反向饱和电流很小，故其产生的散粒噪声也小，如果达到反向击穿（如稳压管），又分两种情况：声也小，如果达到反向击穿（如稳压管），又分两种情况：齐纳击穿二极管齐纳击穿二极管主要是散粒噪声，个别的有主要是散粒噪声，个别的有1/f噪声噪声(闪烁噪闪烁噪声声)。雪崩击穿二极管的噪声较大，除有散粒噪声，还有多雪崩击穿二极管的噪声较大，除有散粒噪声，还有多态噪声，即其噪声电压在两个或两个以上不同电平上进行随态噪声，即其噪声电压在两个或两个以上不同电平上进行随机转换，不同电平可能相差若干个毫伏。机转换，不同电平可能相差若干个毫伏。这种多电平工作是这种多电平

7、工作是由于结片内杂质缺陷和结宽的变化所引起。由于结片内杂质缺陷和结宽的变化所引起。硅二极管工作电压在硅二极管工作电压在4V以下是齐纳二极管，以下是齐纳二极管，7V以上的是以上的是雪崩二极管，雪崩二极管，4V7V之间两种二极管都有。之间两种二极管都有。为了低噪声使为了低噪声使用，最好选用低压齐纳二极管。用，最好选用低压齐纳二极管。3.2.3 3.2.3 晶体三极管的噪声晶体三极管的噪声 晶体三极管的噪声是设备内部固有噪声的另一个重要来晶体三极管的噪声是设备内部固有噪声的另一个重要来源。源。一般说来，在一个放大电路中，晶体三极管的噪声往一般说来，在一个放大电路中，晶体三极管的噪声往往比电阻热噪声强

8、得多，在晶体三极管中，除了其中某些往比电阻热噪声强得多，在晶体三极管中，除了其中某些分布，如基极电阻分布，如基极电阻rbb会产生热噪声外，还有以下几种噪会产生热噪声外，还有以下几种噪声来源。声来源。1.散弹（粒）噪声散弹（粒）噪声 在晶体管的在晶体管的pn结中（包括二极管的结中（包括二极管的pn结），每个载流子结），每个载流子都是随机地通过都是随机地通过pn结的（包括随机注入、随机复合）。结的（包括随机注入、随机复合）。大大量载流子流过结时的平均值（单位时间内平均）决定了它的量载流子流过结时的平均值（单位时间内平均）决定了它的直流电流直流电流I0，因此真实的结电流是围绕，因此真实的结电流是围绕

9、I0起伏的。起伏的。这种由于这种由于载流子随机起伏流动产生的噪声称为载流子随机起伏流动产生的噪声称为散弹噪声散弹噪声，或或散粒噪声散粒噪声。因为因为散弹噪声散弹噪声和和电阻热噪声电阻热噪声都是都是白噪声白噪声，前面关于热噪，前面关于热噪声通过线性系统的分析对散弹噪声也完全适用。声通过线性系统的分析对散弹噪声也完全适用。这包括均这包括均方相加的原则，通过四端网络的计算以及等效噪声带宽等。方相加的原则，通过四端网络的计算以及等效噪声带宽等。晶体管中有发射结和集电结，因为发射结工作于正偏，晶体管中有发射结和集电结，因为发射结工作于正偏，结电流大。结电流大。而集电结工作于反偏，除了基极来的传输电流而集

10、电结工作于反偏，除了基极来的传输电流外，只有反向饱和电流（它也产生散弹噪声）。外，只有反向饱和电流（它也产生散弹噪声）。因此发射因此发射结的散弹噪声起主要作用，而集电结的噪声可以忽略。结的散弹噪声起主要作用，而集电结的噪声可以忽略。晶体管中通过发射结的少数载流子，大部分由集电极收集，晶体管中通过发射结的少数载流子，大部分由集电极收集，形成集电极电流，少数部分载流子被基极流入的多数载流子形成集电极电流，少数部分载流子被基极流入的多数载流子复合，产生基极电流。复合，产生基极电流。由于基极中载流子的复合也具有随机由于基极中载流子的复合也具有随机性，即单位时间内复合的载流子数目是起伏变化的。性，即单位

11、时间内复合的载流子数目是起伏变化的。晶体管晶体管的电流放大系数的电流放大系数、只是反映平均意义上的分配比。只是反映平均意义上的分配比。这种因这种因分配比起伏变化而产生的集电极电流、基极电流起伏噪声，分配比起伏变化而产生的集电极电流、基极电流起伏噪声，称为晶体管的分配噪声。称为晶体管的分配噪声。分配噪声本质上也是分配噪声本质上也是白噪声白噪声，但由于渡越时间的影响，但由于渡越时间的影响，响当三极管的工作频率高到一定值后，这类噪声的功率谱密响当三极管的工作频率高到一定值后，这类噪声的功率谱密度将随频率的增加而迅速增大。度将随频率的增加而迅速增大。2.分配噪声分配噪声3.闪烁噪声闪烁噪声 由于半导体

12、材料及制造工艺水平造成表面清洁处理不好由于半导体材料及制造工艺水平造成表面清洁处理不好而引起的噪声称为闪烁噪声。而引起的噪声称为闪烁噪声。它与半导体表面少数载流子它与半导体表面少数载流子的复合有关，表现为发射极电流的起伏，其电流噪声谱密度的复合有关，表现为发射极电流的起伏，其电流噪声谱密度与频率近似成反比，又称与频率近似成反比，又称1/f噪声噪声。因此，它主要在低频因此，它主要在低频（如几千赫兹以下）范围起主要作用。（如几千赫兹以下）范围起主要作用。这种噪声也存在于这种噪声也存在于其他电子器件中，某些实际电阻器就有这种噪声。其他电子器件中，某些实际电阻器就有这种噪声。晶体管晶体管在高频应用时，

13、除非考虑它的调幅、调相作用，这种噪声的在高频应用时，除非考虑它的调幅、调相作用，这种噪声的影响也可以忽略。影响也可以忽略。3.2.4 场效应管噪声场效应管噪声 在场效应管中，由于其工作原理不是靠少数载流子的运在场效应管中，由于其工作原理不是靠少数载流子的运动，因而散弹噪声的影响很小。动，因而散弹噪声的影响很小。场效应管的噪声有以下几个场效应管的噪声有以下几个方面的来源：方面的来源：沟道电阻产生的热噪声，沟道热噪声通过沟道沟道电阻产生的热噪声，沟道热噪声通过沟道和栅极电容的耦合作用在栅极上的感应噪声，闪烁噪声。和栅极电容的耦合作用在栅极上的感应噪声，闪烁噪声。必须指出，前面讨论的晶体管中的噪声，

14、在实际放大器必须指出，前面讨论的晶体管中的噪声，在实际放大器中将同时起作用并参与放大。中将同时起作用并参与放大。有关晶体管的噪声模型和晶体有关晶体管的噪声模型和晶体管放大器的噪声比较复杂，这里就不讨论了。管放大器的噪声比较复杂，这里就不讨论了。3.2.5 3.2.5 接收天线噪声接收天线噪声 接收天线端口呈现噪声有两个来源：接收天线端口呈现噪声有两个来源：第一是欧姆电阻产第一是欧姆电阻产生的噪声（通常可以忽略）；第二是接收外来噪声能量，其生的噪声（通常可以忽略）；第二是接收外来噪声能量，其一是接收周围介质辐射的噪声能量，其二是宇宙辐射干扰也一是接收周围介质辐射的噪声能量，其二是宇宙辐射干扰也会

15、被天线接收。会被天线接收。因此，天线噪声是与其周围的介质温度、天线的指向及因此，天线噪声是与其周围的介质温度、天线的指向及频率有关的物理量。频率有关的物理量。为了工程的方便，统一规定用天线的为了工程的方便，统一规定用天线的辐射电阻辐射电阻RA（是计算天线辐射功率大小的一个重要参量，（是计算天线辐射功率大小的一个重要参量，不是天线的欧姆电阻）在温度不是天线的欧姆电阻）在温度TA产生热噪声来表示天线的产生热噪声来表示天线的噪声性能。噪声性能。TA称为天线的称为天线的有效噪声温度有效噪声温度。研究噪声的目的在于如何减少它对信号的影响。研究噪声的目的在于如何减少它对信号的影响。因此，因此，离开信号谈噪

16、声是无意义的。离开信号谈噪声是无意义的。从噪声对信号影响的效果看，不在于噪声电平绝对值的从噪声对信号影响的效果看，不在于噪声电平绝对值的大小，而在于信号功率与噪声功率的相对值，大小，而在于信号功率与噪声功率的相对值，即信噪比，记即信噪比，记为为SN（信号功率与噪声功率比）（信号功率与噪声功率比）。即便噪声电平绝对值即便噪声电平绝对值很高，但只要信噪比达到一定要求，噪声影响就可以忽略。很高，但只要信噪比达到一定要求，噪声影响就可以忽略。否则即便噪声绝对电平低，由于信号电平更低，即信噪比低否则即便噪声绝对电平低，由于信号电平更低，即信噪比低于于1，则信号仍然会淹没在噪声中而无法辨别。，则信号仍然会

17、淹没在噪声中而无法辨别。因此信噪比因此信噪比是描述信号抗噪声质量的一个物理量。是描述信号抗噪声质量的一个物理量。3.33.3 噪声系数计算方法噪声系数计算方法3.3.1 3.3.1 噪声系数的定义噪声系数的定义噪声系数可由下式表示噪声系数可由下式表示 设设Pi为信号源的输入信号功率，为信号源的输入信号功率，Pni为信号源内阻为信号源内阻RS产生的产生的噪声功率，噪声功率，Po和和Pno分别为信号和信号源内阻在负载上所产生分别为信号和信号源内阻在负载上所产生的输出功率和输出噪声功率。的输出功率和输出噪声功率。图图3.4描述放大器噪声系数的等效图描述放大器噪声系数的等效图要描述放大系统的固有噪声的

18、大小，就要用噪声系数，其要描述放大系统的固有噪声的大小，就要用噪声系数，其定义为定义为3.3.2 3.3.2 信噪比与负载的关系信噪比与负载的关系 设信号源内阻为设信号源内阻为RS，信号源的电压为，信号源的电压为US（有效值），（有效值），当它与负载电阻当它与负载电阻RL相接时，在负载电阻相接时，在负载电阻RL上的信噪比计上的信噪比计 算如下：算如下：信号源在信号源在RL上的功率上的功率 信号源内阻噪声在信号源内阻噪声在RL上的功率上的功率 在负载两端的信噪比结论：在负载两端的信噪比结论：信号源与任何负载相接本不信号源与任何负载相接本不影响其输入端信噪比，即无论负载为何值，其信噪比都不影响其输

19、入端信噪比，即无论负载为何值，其信噪比都不变，其值为负载开路时的信号电压平方与噪声电压均方值变，其值为负载开路时的信号电压平方与噪声电压均方值之比。之比。在负载两端的信噪比在负载两端的信噪比3.3.3 3.3.3 用额定功率和额定功率增益表示的噪声系数用额定功率和额定功率增益表示的噪声系数放大器输入信号源电路如图放大器输入信号源电路如图3.5所示。所示。任何信号源加上负载任何信号源加上负载后，其信噪比与负载大小无关，信噪比均为信号均方电压后，其信噪比与负载大小无关，信噪比均为信号均方电压（或电流）与噪声均方电压（或电流）之比。（或电流）与噪声均方电压（或电流）之比。放大器的放大器的噪声系数噪声

20、系数NF为为 Pai和和Pao分别为放大器的输入和输出额定信号功率，分别为放大器的输入和输出额定信号功率，Pani和和Pano分别为放大的输入和输出额定噪声功率，分别为放大的输入和输出额定噪声功率，Gpa为放为放大器的额定功率增益。大器的额定功率增益。以额定功率表示的噪声系数以额定功率表示的噪声系数3.3.4 3.3.4 多级放大器噪声系数的计算多级放大器噪声系数的计算多级放大器噪声系数计算等效图多级放大器噪声系数计算等效图多级放大器的总噪声系数计算公式为：多级放大器的总噪声系数计算公式为：3.3.5 3.3.5 等效噪声温度等效噪声温度 在某些通信设备中，用等效噪声温度在某些通信设备中，用等

21、效噪声温度Te表示更方便更表示更方便更直接。直接。热噪声功率与热力学温度成正比，所以可以用等效热噪声功率与热力学温度成正比，所以可以用等效噪声温度来代表设备噪声大小。噪声温度来代表设备噪声大小。噪声温度可定义为：噪声温度可定义为：把把放大器本身产生的热噪声折算到放大器输入端时，使噪声放大器本身产生的热噪声折算到放大器输入端时，使噪声源电阻所升高的温度，称为等效噪声温度源电阻所升高的温度，称为等效噪声温度Te。多级放大器的等效噪声温度为：多级放大器的等效噪声温度为：3.3.6 3.3.6 晶体管放大器的噪声系数晶体管放大器的噪声系数 根据图根据图3.7所示的共基极放大器噪声中求得各噪声源在放大所

22、示的共基极放大器噪声中求得各噪声源在放大器输出端所产生的噪声电压均方值总和，然后根据噪声系器输出端所产生的噪声电压均方值总和，然后根据噪声系数的定义，可得到放大器的噪声系数的计算公式数的定义，可得到放大器的噪声系数的计算公式共基极放大器噪声等效电路共基极放大器噪声等效电路3.3.7 3.3.7 噪声系数与灵敏度噪声系数与灵敏度 噪声系数噪声系数是用来衡量部件是用来衡量部件(如放大器如放大器)和系统和系统(如接收机如接收机)噪声性能的。噪声性能的。而噪声性能的好坏，又决定了输出端的信号而噪声性能的好坏，又决定了输出端的信号噪声功率比噪声功率比(当信号一定时当信号一定时)。同时，当要求一定的输出信

23、同时，当要求一定的输出信噪比时，它又决定了输入端必需的信号功率，也就是说决噪比时，它又决定了输入端必需的信号功率，也就是说决定放大或接收微弱信号的能力。定放大或接收微弱信号的能力。对于接收机来说，接收微弱信号的能力，可以用一重对于接收机来说，接收微弱信号的能力，可以用一重要指标要指标灵敏度来衡量。灵敏度来衡量。所谓所谓灵敏度灵敏度就是保持接收机输就是保持接收机输出端信噪比一定时，接收机输入的最小电压或功率出端信噪比一定时，接收机输入的最小电压或功率(设接收设接收机有足够的增益机有足够的增益)。虽然线性电路虽然线性电路(如晶体管放大器如晶体管放大器)有噪声模型，但是用计算有噪声模型，但是用计算方

24、法决定噪声系数是有一定困难方法决定噪声系数是有一定困难(如模型中的一些参数很难准如模型中的一些参数很难准确得到确得到)的，因此常用测量的方法来确定一个电路和系统的噪的，因此常用测量的方法来确定一个电路和系统的噪声系数。声系数。随着频率范围、随着频率范围、采用仪器或要求精度不同，有多采用仪器或要求精度不同，有多种测量噪声系数的方法。种测量噪声系数的方法。1.用噪声信号源的测量方法用噪声信号源的测量方法下图是一测量系统的构成。下图是一测量系统的构成。噪声噪声信号源信号源特测特测放大器放大器辅助辅助放大器放大器均方均方电压表电压表3.3.8 3.3.8 噪声系数的测量噪声系数的测量2.无噪声源的测量

25、方法无噪声源的测量方法 当无合适的噪声信号源，而又要测量部件或系统的噪当无合适的噪声信号源，而又要测量部件或系统的噪声系数时，可以采用间接的方法，与上图类似，将噪声信声系数时，可以采用间接的方法，与上图类似，将噪声信号源换成一高频信号源即可。号源换成一高频信号源即可。测量的方法如下：设信号源的内阻为测量的方法如下：设信号源的内阻为RS，并与系统匹，并与系统匹配。配。首先，关断信号源（保留源电阻），在系统的输出端首先，关断信号源（保留源电阻），在系统的输出端测出噪声功率值或电压均方根值。测出噪声功率值或电压均方根值。然后，加正弦信号，使然后，加正弦信号，使输出电压远大于噪声电压值，测出中心频率的

26、电压增益或输出电压远大于噪声电压值，测出中心频率的电压增益或功率增益，再改变信号源频率重复上述测量。功率增益，再改变信号源频率重复上述测量。3.4 3.4 降低噪声系数的措施降低噪声系数的措施 根据上面所讨论的结果，有根据上面所讨论的结果，有3种经常采用的减小噪声系数种经常采用的减小噪声系数的措施。的措施。1.选用低噪声器件和元件选用低噪声器件和元件2.正确选择晶体管放大级的直流工作点正确选择晶体管放大级的直流工作点3.选择合适的信号源内阻选择合适的信号源内阻3.5 3.5 工业干扰与天电干扰工业干扰与天电干扰1.工业干扰工业干扰 工业干扰是由各种电气装置中发生的电流（或电压）急工业干扰是由各

27、种电气装置中发生的电流（或电压）急剧变化所形成的电磁辐射，并作用在接收机天线上所产生的剧变化所形成的电磁辐射，并作用在接收机天线上所产生的 工业干扰的强弱取决于产生干扰的电气设备的多少、性质及工业干扰的强弱取决于产生干扰的电气设备的多少、性质及分布情况。分布情况。工业干扰沿电力线传播比它在相同距离的直接辐射强度工业干扰沿电力线传播比它在相同距离的直接辐射强度大得多。大得多。从工业干扰的性质来看，大都属于脉冲干扰。从工业干扰的性质来看，大都属于脉冲干扰。为了克服工业干扰，最好在产生干扰的地方进行抑制。为了克服工业干扰，最好在产生干扰的地方进行抑制。2.天电干扰天电干扰 自然界的雷电现象是天电干扰

28、的主要来源，除此以外，自然界的雷电现象是天电干扰的主要来源，除此以外，带电的雨雪和灰尘的运动，以及它们对天线的冲击都可能引带电的雨雪和灰尘的运动，以及它们对天线的冲击都可能引起天电干扰。起天电干扰。本本 章章 小小 结结 1.电子设备的性能在很大程度上与干扰和噪声有关。电子设备的性能在很大程度上与干扰和噪声有关。在通信系统中，在通信系统中，接收机的灵敏度与噪声接收机的灵敏度与噪声有关，提高接收机有关，提高接收机的灵敏度有时比增加发射机的功率可能更为有效。的灵敏度有时比增加发射机的功率可能更为有效。因此研因此研究各种干扰和噪声非常必要。究各种干扰和噪声非常必要。2.所谓干扰（或噪声），就是除有用

29、信号以外的一切所谓干扰（或噪声），就是除有用信号以外的一切不需要的信号及各种电磁骚动的总称。不需要的信号及各种电磁骚动的总称。干扰（或噪声）按干扰（或噪声）按其发生的地点分为由设备外部进来的外部干扰和由设备内其发生的地点分为由设备外部进来的外部干扰和由设备内部产生的干扰；按接收的根源分有自然干扰和人为干扰，部产生的干扰；按接收的根源分有自然干扰和人为干扰，按电特性分有脉冲型，正弦型和起伏型干扰等。按电特性分有脉冲型，正弦型和起伏型干扰等。3.干扰和噪声是两个同义的术语，但有本质的区别。干扰和噪声是两个同义的术语，但有本质的区别。习习惯上，将惯上，将外部来外部来的称为的称为干扰干扰，内部内部产生

30、称为产生称为噪声噪声，本章主要，本章主要讨论具有起伏性质的内部噪声。讨论具有起伏性质的内部噪声。外部也有一部分具有起伏性外部也有一部分具有起伏性质的干扰一并讨论。质的干扰一并讨论。即使内部干扰，也有人为的（或故障性即使内部干扰，也有人为的（或故障性的）和固有的内部噪声才是我们要讨论的内容。的）和固有的内部噪声才是我们要讨论的内容。4.抑制外部干扰的措施主要是抑制外部干扰的措施主要是消除干扰源消除干扰源，切断干扰传播切断干扰传播途径途径和和躲避干扰躲避干扰。电台的干扰实际上主要是外部干扰，有关电台的干扰实际上主要是外部干扰，有关这一部分内容放在以后的这一部分内容放在以后的“混频器干扰混频器干扰”一节中讨论。一节中讨论。应该指出，干扰和噪声问题涉及的范围很广，理论和计应该指出，干扰和噪声问题涉及的范围很广，理论和计算都很复杂，详细分析已超出范围，本章主要介绍有关电子算都很复杂，详细分析已超出范围，本章主要介绍有关电子噪声的一些基本概念和性能指标。噪声的一些基本概念和性能指标。