射频通信电路第二章-噪声-2-1

第二章噪声与非线性失真噪声——限制了系统所能处理的最低信号电平噪声系数与非线性失真是描述射频系统性能优劣的两个重要指标。噪声来源于射频系统的各个元器件，一个线性系统，当它处于小信号工作时，它的许多性能指标都与噪声有关，如：信噪比、误码率、解调器的最低可解调门限等。非线性失真——限制了系统所能处理的最高电平本章主要内容:一.噪声1.起伏噪声的基本特性2.电子器件内部噪声的来源及等效电路3.衡量系统噪声性能的指标——噪声系数与等效噪声温度大信号工作时，由于二极管和三极管的非线性特性，会产生一系列非线性失真，如：增益压缩、交叉调制、互相调制等。二.非线性1.非线性器件的描述方法2.器件非线性对线性放大器的影响及衡量指标3.非线性器件在频谱搬移中的应用2.1起伏噪声描述起伏噪声的几个重要概念：起伏噪声的特点（以电阻热噪声为例）：随机性、电流脉冲持续时间短、平均值为零（1）频谱——极宽，几乎占据整个无线电频段（2）功率谱密度——单位：dBm/Hz)(fS21)(ffVVdffSP频带内的功率：12fff2nV噪声电压均方值：2nI噪声电流均方值：212()fnIfISfdf电流功率谱密度()ISf电压功率谱密度()VSf212()fnVfVSfdf2nI2nV和代表单位电阻上的功率（3）等效噪声带宽白噪声:是常数)(fS)()(1222121ffSdfSfdfSIIffIffIn)(fSi输入功率谱密度系统传递函数)(jfH输出功率谱密度)(fSo2)()()(fHfSfSio噪声通过线性系统00222)()()(dffHSdffHfSViin白噪声通过线性系统)()(0202fHdffHBL等效噪声带宽定义：系统总输出噪声：22200()()()niiLVSfHfdfSHfB2.2电路器件的噪声1.功率谱密度RkTSI14kTRRSSIV42电流电压白噪声3.有噪电阻的串并联2.等效电路串联——无噪电阻R串噪声电压源并联——无噪电阻R并噪声电流源2nV2nI2.2.1电阻的热噪声及等效电路有噪电阻kTRBVn42BRkTIn142（B为系统带宽）4.额定噪声功率条件:噪声源与系统匹配NAB与噪声源电阻R大小无关与噪声源温度有关特点kTBRkTRBRVNnA4442`bbr1.基区电阻热噪声——白噪声2,bbnrV2.散粒噪声——功率谱密度02qISI1.沟道电阻热噪声——04dIgkTS3.闪烁噪声——噪声f1fWLCKSOXV12.2.2双极型晶体管的噪声3.噪声等效电路2,2nccIqIB2,2nbbIqIB2,4bbnrbbVkTrB2.2.3场效应管的噪声2.噪声等效电路2,04nDdIkTgB2.2.4电抗元件的噪声电抗元件的噪声来源于它的损耗电阻——热噪声2.2.5两端口网络的等效输入噪声源等效2nV串联噪声电压源2nI并联噪声电流源2nV2nI输入端短路，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值输入端开路，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值求法：2nV2nI和的计算步骤:(1)将线性网络中的所有元件均用其噪声等效电路代入。（2）计算出所有的噪声源在系统输出端的噪声功率总和。2,noV（3）求等效输入噪声电压源。输入端短路，等效输入噪声电流源开路，则2nV2nI2,2222,2noVnnonVVAVVVA(AV为系统电压增益）其中Zi为系统输入阻抗，一般和是相关的。2nV2nI（４）求等效输入噪声电流源。输入端开路，则2nI22,2222,22noVninoniVVAIZVIAZ此方法适用于低噪声电路设计，用来具体分析电路中每个元件的噪声对电路整体产生的影响。2,DnI例2.2.1：如图所示，场效应管放大器的场效应管输出噪声电流为LR2,RLnV负载电阻的热噪声解：（1）首先求放大器的增益放大器交流等效电路图2nI2nV求：该放大器对应的等效输入噪声源和电压增益LmiLimiVRgVRVgVVA0（2）求放大器总输出噪声2222,,,nonRLnDLVVIR放大器（3）求等效输入噪声电压源2nV输入端短路此时输出噪声均由产生，则：2nV222222,,,,,222222()nonRLnDLnRLnDnVmLmLmVVIRVIVAgRgRg22,2mDnngIV不考虑负载噪声（4）求等效输入噪声电流源2nI输入端开路：此时输出端的噪声均由产生：2nI2222222,()()()niVnimLnoIZAIZgRV则2222,2,2)(iLmLDnRLnnZRgRIVI不考虑负载噪声222,2imDnnZgII2nV2nI和是相关的2.3噪声系数2.3.1噪声系数定义ooiioiNPNPSNRSNRF//有噪网络()iSNR()oSNRFdBNFlog10)(2.3.2噪声系数与等效输入噪声源的关系12.3.2噪声系数与等效输入噪声源的关系信号源SV外输入噪声源2SRV输入信噪比()iSRN内部噪声源和2nV2nI输出噪声功率输出信号功率信号源SV输出信噪比()oSRNBkTRRIVVRIVVSNRSNRFSSnnRSnnRoiSS4)(1)()()(2222对噪声系数的理解有噪网络的噪声系数一定大于1噪声系数与网络内部噪声大小有关网络的噪声系数与外部源噪声有关与源噪声温度T有关测量噪声系数时，规定标准噪声温度T0=290k噪声匹配噪声系数最小最佳源内阻与源内阻RS有关BkTRRIVSNRSNRFSSnnoi4)(1)()(2SR其中2,outnV网络总输出噪声电压均方值VA该网络的电压增益例2.3.1：图示的两端口网络只是一个电阻，求该网络的噪声系数。VO解:根据公式BkTRRIVVRIVVSNRSNRFSSnnRSnnRoiSS4)(1)()()(2222一个网络的噪声系数又可以表示为222,22222222)()(SSSSSRVoutnVVRSnnRRSnnRVAVAAVRIVVVRIVVF该网络的电压增益为:VOSVRRRA00求网络总输出噪声电压均方值等效噪声电路如图根据噪声系数定义有:02000222,1)(4)//(4RRRRRBkTRBRRkTVAVFSSSSRVoutnS结论：0R大，噪声系数小，与功率最大传输——共轭匹配不同在带宽B内输出噪声电压均方值为:BRRkTRRIIVSSRnRnoutnS)//(4)//)((0202,2,2,02.3.3无源有耗网络的噪声系数分析条件:输入、输出端均匹配已知：无源有耗网络的损耗为L带宽为B根据噪声系数的定义/1/iiAoAooAPiAPPNNNFLPNGNG结论：无源有耗网络的噪声系数在数值上等于它的损耗SR信号源内阻产生的额定噪声功率为kTBNiA0R输出电阻产生的额定噪声功率为kTBNoA2.4等效噪声温度条件：有噪线性网络、产生白噪声、匹配2.4.1等效噪声温度定义定义：将网络内部的噪声折合到输入源端，等效为由某电阻在温度时产生的电阻热噪声，将网络视为无噪的。eTPGBePNkTBG内有噪网络输出噪声，和等效噪声温度的关系：2.4.2等效噪声温度与噪声系数的关系已知条件:iP0T源端匹配、信号源输入噪声为：0iNkTBB网络带宽、PG功率增益、eT等效噪声温度总输入噪声为0()eiNkTTB总0()oPeNGkTTB由噪声系数定义000//1//()iiieooPiPePNPkTBTFPNGPGkTTBT或0)1(TFTe因网络视为无噪，所以总输出噪声为2.5多级线性网络级联的噪声系数已知：各级间均匹配，带宽均为B额定功率增益、噪声系数、等效噪声温度BkTNi0第一级输入噪声功率11011PAPAeNGkTBGkTB第一级的输出噪声功率是求：总噪声系数、等效噪声温度eTF2212212011()eoPAPAePAPAePATNGNGkTBGGkBTTG第二级输出噪声功率是：两级总的输出噪声功率又可表示为120()oPAPAeNGGkBTT所以211eeePATTTG2111PAFFFG相等231112eeeePPPTTTTGGG32111211PPPFFFFGGG多级线性网络级联总噪声系数2.增大第一级的增益可以减少后级对系统噪声系数的影响1.系统前级、特别是第一级的噪声系数对系统影响最大结论：